Gravità quantistica a loop


A cura di Franco Palerno, ricercatore di fisica della particelle presso l’Università di Boston

Mi è stato chiesto di parlare della “Teoria della gravità quantistica a loop” (LQG, dal termine inglese Loop Quantum Gravity), o gravità quantistica ad anelli.

Alcune doverose premesse

La prima è che la LQG, così come la teoria delle stringhe di cui condivide alcuni aspetti, non è una teoria, o almeno non è una teoria nel significato che la scienza dà a questo termine. Nel linguaggio comune teoria, ipotesi, congettura sono termini interscambiabili a cui diamo lo stesso significato.

Per la scienza:

Una teoria scientifica invece è un insieme di leggi che descrivono con precisione un insieme di fenomeni e che è in grado di fare previsioni verificabili. Una solida teoria scientifica si basa su un corpo di evidenze abbastanza ampio. Non è quindi sufficiente un unico esperimento per affermare che una teoria sia vera. E soprattutto, qualsiasi esperimento usato per provare la teoria deve essere riproducibile, non può essere una questione di caso, o di fortuna. (cit.). Dunque ad oggi ne le stringhe ne la gravità quantistica a loop sono teorie scientifiche, in quanto non sono state provate ne sperimentalmente ne con osservazioni, sono delle eleganti, interessanti, coerenti congetture o ipotesi matematiche. Ciò non significa che non siano “vere” o non significa che non si debba continuare a studiarle sino a che si trovino prove della loro veridicità o falsità, ma il fatto che siamo matematicamente coerenti non significa affatto che siano “vere”, non tutto quello che è possibile matematicamente è detto che sia possibile e vero nel mondo reale. Ma dato che la scienza non funziona a “simpatia” o secondo le nostre aspettative o la nostra logica, queste ipotesi DEVONO essere studiate.

Ora, il fatto che le stringhe e soprattutto la gravità quantistica a loop (LQG dora in poi) siano puramente ipotesi matematiche, rende veramente molto molto difficile parlarne in termini corretti senza utilizzare il formalismo matematico stesso, per cui pur tentando di semplificare al massimo l’argomento LQG sarà, temo, un poco più complesso rispetto alle nostre solite chiacchierate, ma proviamoci.

Un’altra premessa

Una seconda, necessaria, premessa è capire cosa significhi il termine “quantistico”, bene la parola “quanto” deriva dal latino “quantum” che significa quantità. Ora (e semplifico davvero molto) la meccanica quantistica prevede che i valori di alcune grandezze fisiche siano “discreti”, cioè possano assumere dei valori ben determinati e non dei valori intermedi o scelti a caso. Farò ora un esempio applicando la meccanica quantistica all’orbita dei pianeti del sistema solare (serve solo a spiegare “quanti e valori discreti” non ha attinenza con la realtà). Dunque se i pianeti del Sistema Solare obbedissero alle leggi quantistiche la loro distanza dal sole non potrebbe essere scelta a caso, ma solo alcune orbite sarebbero possibili, per esempio o sei sull’orbita di Venere o sei sull’orbita della Terra, ma NULLA potrebbe orbitare a metà strada fra Venere e Terra. Quindi solo alcuni valori sono possibili, non quelli intermedi, ovvero si dice che esistono livelli “discreti”. Quindi “quantum”, quantità, la meccanica quantistica prevede che in natura non si possono avere valori qualsiasi ma valori, determinati, discreti. Ovvero (e semplifico ancora) la meccanica quantistica ha “suddiviso” il mondo in quanti, in piccolissime quantità determinate, discrete.

Ed ora la gravità quantistica a loop

Sino ad ora lo spazio è sempre stato visto come un qualche cosa di continuo, come un contenitore entro cui avvengono i fenomeni. Nella relatività di Einstein lo spazio-tempo, assume caratteristiche dinamiche; si può incurvare e cambiare forma come fosse materia plasmabile. In altri termini Einstein con la relatività generale ha teorizzato un’identità fra lo spazio-tempo e il campo gravitazionale, ovvero il campo gravitazionale e lo spazio-tempo sono la stessa entità fisica. Invece la scoperta alla base della meccanica quantistica è che i campi fisici hanno, nella piccola scala una struttura granulare, non continua. Ora l’idea alla base della LQG è che anche lo spazio non avrebbe una struttura continua, ma sarebbe anch’esso, a piccola scala granulare, quantizzato. In altre parole, lo spazio sarebbe formato da piccolissimi quanti di spazio, o “atomi di spazio”. La scala di grandezza a cui si manifesterebbero questi quanti o granuli di spazio e la lunghezza di Planck, ovvero la più piccola dimensione concepibile in natura. Inoltre, anche per lo spazio a questa scala varrebbero le stesse leggi “probabilistiche” e non “deterministiche” della meccanica quantistica. Dunque i loop di cui parla la LQG sono i quanti, i granuli di spazio, o meglio i loop non sono immersi nello spazio, i loop SONO LO SPAZIO, e più precisamente tali loop (anelli) formano delle reti, i cui nodi sono collegati fra loro da linee di connettività.

Dunque l’aspetto dello spazio a livello di Planck sarebbe questo.

Si può notare la somiglianza fra le immagini idealizzate di una stringa e quelle di un loop. Ma in realtà, la somiglianza è parziale, le stringhe sono cordicelle che vibrano e si muovono nello spazio, i loop sono cordicelle che FORMANO lo spazio, se l’universo fosse un lenzuolo, i fili di cotone che lo formano sarebbero i loop. La LQG è ben definita alla scala di Planck, ma quando si tenta di usarla per calcolare quantità macroscopiche (cioè il la nostra scala di grandezza di tutti i giorni) si ottengono, per ora almeno, risultati incerti. Siamo insomma ad uno stadio iniziale. Fino a che tali tentativi non raggiungeranno risultati più “certi”, tale ipotesi resterà incompleta. Comunque, secondo la LQG (o meglio secondo la sua matematica), questi piccolissimi loop di spazio, possono contenere un determinato livello di energia, che non può essere zero e non può raggiungere un valore infinito. L’insieme di queste “energie” si manifesta al nostro livello come gravità, ed in questo senso la gravità verrebbe quantizzata. Ora questo porterebbe a varie conseguenze, fra cui le più eclatanti sarebbero le seguenti due:

Primo, secondo i calcoli della LQG, se, e con un ENORME “se” dato che non esistono ancora prove sperimentali, se l’ipotesi della gravità quantistica a loop si dimostrerà corretta allora il Big Bang dovrebbe essere stato originato da un vero e proprio Big Bounce (grande rimbalzo) ovvero il nostro universo deriverebbe da un precedente universo che dopo una fase iniziale espansiva ha subito poi una fase di collasso gravitazionale, quindi l’universo sarebbe in un perenne ciclo di espansione-contrazione-espansione.

Secondo, dato che i calcoli della LQG non ammettono un livello di energia infinito per i loop, le singolarità gravitazionali dei buchi neri subirebbero un destino ben diverso da quello oggi teorizzato. Secondo la LQG non appena il livello di energia raggiungesse un determinato valore, la singolarità e quindi il buco nero esploderebbe in una sorta di Big Bang, quindi tutti i buchi neri non appena “formati” esploderebbero.

Perché in realtà noi non vediamo queste esplosioni?

Per il fenomeno della dilatazione temporale, ovvero se noi potessimo osservare il fenomeno come un osservatore all’interno della singolarità noi vedremmo l’esplosione avvenire praticamente istantaneamente dopo il formarsi della singolarità stessa. Ma dato che noi osserviamo l’universo dal nostro punto di vista, per noi il tempo in cui avviene l’esplosione tende all’infinito. Specifico inoltre che secondo tali ipotesi anche il “tempo” sarebbe quantizzato e non un valore continuo (sempre alla scala di Planck), ma questo complica ancora più il discorso, addirittura alcuni fisici hanno ipotizzato l’inesistenza del tempo.

Concludo ribadendo che non stiamo parlando di teorie comprovate, ma di ipotesi e congetture matematiche, coerenti, rigorose, con una loro logica ma solo ipotesi, potrebbero in futuro dimostrarsi vere oppure false, ma noi abbiamo l’obbligo di continuare a studiarle. Purtroppo, senza il formalismo matematico e soprattutto nello spazio di un articolo è veramente difficile parlare di questi argomenti, per cui se qualcuno è particolarmente interessato, contrariamente alle mie abitudini (non mi piace chiedere alla gente di spendere soldi) consiglio la lettura di un libro molto ben scritto e abbastanza chiaro e semplice (nei limiti in cui possono esserlo simili concetti).

LA REALTA’ NON E’ COME CI APPARE di Carlo Rovelli.

Carlo Rovelli è un bravissimo fisico, uno dei massimi esperti mondiali sulla gravità quantistica, sicuramente il libro sarà più esaustivo di un semplice articolo.

Infine come sempre avviso che per semplificare e rendere più comprensibili i concetti esposti a volte ho sacrificato la correttezza a favore della comprensibilità.

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