L’Universo,dovelospazio-tempodiventadiscreto
Relativitàemeccanicaquantistica:unconnubionon-locale?
22aprile2016
Neglistudidigravitàquantistica,fisicaclassicaemeccanicaquantisticafannoapugni:gli
scienziatinonsannobeneancoracomeconciliarela“granularità”quantisticadellospazio-tempo
allaScaladiPlanckconlateoriadellarelativitàristretta.Nellaricercadipossibilitestdellafisica
associataaquestodifficileconnubio,loscenariopiùstudiatofinoadoraèstatoquellocheimplica
violazioniall’”InvarianzadiLorentz”,ilprincipioallabasedellarelativitàristretta.Lastradaperò
potrebbeessereun’altra:salvarelarelativitàristrettaconciliandolaconlagranulosità
introducendodeviazioniapiccolescaledalprincipiodilocalità.Unrecentestudioteoricoappena
pubblicatosuPhysicalReviewLettersecoordinatodallaScuolaInternazionaleSuperiorediStudi
Avanzati(SISSA)diTriesteanalizzapropriounmodellodiquestotipodimostrandochepuò
esseretestatosperimentalmentecongrandeprecisione.Ilteamstagiàcollaborandoalla
realizzazionediunesperimento,chesisvolgeràalLENS(EuropeanLaboratoryforNon-linear
Spectroscopy)diFirenze,(alcunimembridelqualehannoanchecollaboratoallostudioteorico)
Lanostraesperienzadellospazio-tempoèquelladiunoggettocontinuo,senzavuotie
discontinuità,propriocomelodescrivelafisicaclassica.Peralcunimodellidigravitàquantistica,
latramadellospazio-tempoèinvece“granulosa”apiccolissimescale(sottolacosiddetta“scaladi
Planck”,10-33cm),comesesitrattassediunmutevolereticolocaratterizzatodapienievuoti(odi
unacomplessaschiuma).Unodeigrandiproblemidellafisicadioggièpropriocapirecomesi
passadalregimecontinuoaquellodiscreto,manmanocheledimensionisiriducono:c’èunsalto
bruscoounatransizionegraduale,edoveavvieneilcambiamento?
Loscollamentofraunmondoel’altrocreadifficoltàaifisici:peresempio,com’èpossibile
descriverelagravità,cosibenspiegatadallafisicaclassica,secondolameccanicaquantistica?
Quellodellagravitàquantisticaèinfattiuncampodistudidovenonancoraesistonoteorie
sedimentateecondivise.Esistonoperòdegli“scenari”,cheoffronopossibiliinterpretazionidella
gravitàquantisticasottoposteavincoli(constraint)didiversanaturacheaspettanodiricevere
confermeosmentite,nonsemprepossibilidaottenere.
Unodeiproblemidarisolvereinquestosensoècheselospazio-tempo,sottounacerta
dimensione,ègranularesignificacheesisteuna“scalabasilare”,un’unitàfondamentalesottoalla
qualenonsipuòscendere.Questaipotesicozzaperòconlateoriadellarelativitàristretta,
formulatadaEinstein,chedescrive,secondolafisicaclassica,ilnostroUniversoproprioallealte
energie.
Immaginiamodiavereunrighelloinmano,secondolarelativitàristretta,unosservatorecheci
guardamentresimuoveconunmotorettilineoavelocitàcostante(prossimaaquelladellaluce)
vedrebbeilrighellopiùcortodicomelovediamonoi.Macosasuccedeseilrighelloèlungo
quantolascalafondamentale?Perlarelativitàristrettasarebbecomunque,perl’altro
osservatore,piùcortodiquestaunitàdimisura.Èchiaroquindichelarelativitàristrettaè
incompatibileconl’introduzionediunagranabasilaredell’Universo.Ipotizzarel’esistenzadi
questascalabase,diconoifisici,significaviolarel’InvarianzadiLorentz,unprincipiofondante
dellarelativitàspeciale.
Comesifaalloraasalvarecapraecavoli?Osiipotizzanodelleviolazionidell’Invarianzadi
Lorentz,condeivincolimoltoprecisi(equestafinoraèstatalastradapreferita),ositrovaun
mododievitareleviolazioni,trovandounoscenariocompatibilesiaconlagranularitàcheconla
relativitàristretta.Questoscenarioineffettièrealizzatodaalcunimodellidigravitàquantistica,
comelaStringFieldTheoryolaCausalSetTheory.Ilproblemaapertoeraperòcometestarne
sperimentalmentelepredizionidatocheglieffettidiquesteteoriesonomoltomenoevidentidi
quellidimodellicheviolanolarelativitàspeciale.Unasoluzioneaquestaimpasseèorastata
propostadaStefanoLiberati,professoredellaSISSA,ecolleghinelloroultimolavoro.Nello
studiohannopartecipatoanchericercatoridelLENS(FrancescoMarineFrancescoMarino)di
Firenzeedell’INFNdiPadova(AntonelloOrtolan).PerlaSISSA,oltreaLiberati,hanno
collaboratoanchelostudentediPhDAlessioBelenchiaeilpostdocDionigiBenincasa.Lostudioè
statofinanziatoanchedaungrantdellaJohnTempletonFoundation.
“Rispettiamol’InvarianzadiLorentz,sì,matuttohaunprezzo,cheinquestocasopaghiamocon
l’introduzionedieffettinon-locali”,commentaLiberati.LoscenariostudiatodaLiberatiecolleghi
infattisalvalarelativitàristrettamaintroducelapossibilitàchelafisicainuncertopuntodello
spazio-tempopossaessereinfluenzatanonsolodaciòcheaccadenellevicinanzediquelpunto,
maancheinpuntimoltolontani.“Naturalmentenonsiviolalacausalità,enonsipresuppongono
informazionicheviaggianopiùvelocedellaluce”,puntualizzaloscienziato.“Siintroduceperòla
necessitàdiconoscerelastrutturaglobalepersaperecosaaccadenellocale”.
Dallateoriaaifatti
C’èun'altracosacherendeilmodellodiLiberatiecolleghiquasiunico,ecertamentemolto
prezioso:èformulatoinmododapoteresseretestatosperimentalmente.“Persviluppareilnostro
ragionamentoabbiamocollaboratogomitoagomitoconifisicisperimentalidelLENSdiFirenze.
Stiamoinfattigiàlavorandoallamessaapuntodegliesperimenti”.Conquestemisurazioni
Liberatiecolleghipotrebberoindividuareilconfine,ol’intervalloditransizione,dovelospazio
tempocontinuodiventagranulareelafisicanon-locale.
“AlLENSsistaoracostruendounoscillatorearmonicoquantistico:unchipdisiliciodipochi
microgrammicheportatoatemperaturevicineallozeroassolutovieneilluminatodaunlasered
entrainoscillazionearmonica”spiegaancoraLiberati.“Ilnostromodelloteoricoprevedeinfattila
possibilitàditestareglieffettinonlocalisuoggettiquantisticiconmassanontrascurabile”.Un
puntonondipocaimportanza:unoscenarioteoricochespiegaglieffettiquantisticisenzaviolare
larelativitàristretta,implicaanchechequestieffettiallenostrescaledevonoperforzaessere
moltopiccoli(altrimentiliavremmogiàosservati,equestononèilcaso).“Perpoterlitestareli
dobbiamopotereosservareinqualchemodo.Secondoilnostromodelloèpossibilevederli
proprioinoggetti‚allimite’:quantisticisì,madiunadimensionedovesiaancoraimportantela
massa,ossiala‚carica’associataallagravità(comelacaricaelettricaèassociataalcampo
elettrico).”.
“Sullabasedelmodelloproposto,abbiamoformulatodelleprevisionisulmodoincuiilsistema
oscillerà”,raccontaancoraLiberati.“Dueprevisioni,perlaprecisione:unafunzionechedescriveil
sistemainassenzadeglieffettinon-localieunafunzioneincuisonopresenti”.Ilmodelloè
particolarmenterobustopoiché,comespiegaLiberati,ladifferenzanell’andamentodescrittonei
duecasinonpuòesseregeneratadainfluenzeambientalisull’oscillatore.“Sitrattadunquediuna
situazione‘WIN-WIN’:senonvediamol’effettopossiamospostarepiùinaltol’asticelladelle
energiedovecercarelatransizione.Soprattutto,gliesperimentigiàinpreparazionedovrebbero
esserecapacidispingereivincolisullascaladinon-localitàfinoallascaladiPlanck.Inquestocaso
potremmoarrivareaescluderequestiscenariconnon-località.Egiàquestosarebbeunbel
risultato,poichédaremmounabellasfoltitaallagiungladegliscenariteorici”,concludeLiberati.
“Seinveceosservassimol’effetto,behalloraconfermeremmolapresenzadeglieffettinon-locali,
salvandolarelativitàristrettaeaprendoleporteatuttaunanuovafisica.”
LINKUTILI:
• Link all’articolo originale su PRL: https://goo.gl/Y7XYm7
IMMAGINI:
• Dispositivo oscillatore armonico - Credits: LENS. Firenze/ SEM, Trento (tratta da:
http://goo.gl/000LYn)
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