È il tentativo di unificare la meccanica quantistica con la relatività generale per arrivare, secondo alcuni modelli, alla cosiddetta “teoria del tutto”.

In un precedente articolo sui viaggi nel tempo avevamo fatto riferimento alla gravità quantistica, quel campo della fisica che tenta di descrivere la gravità tramite un approccio quantistico. L’intento è mettere insieme le quattro forze fondamentali della natura (gravitazionale, elettromagnetica, debole e forte) in una teoria in grado di unificare la meccanica quantistica con la relatività generale di Einstein. Ma cerchiamo di capire meglio di cosa stiamo parlando.

La gravità quantistica tenta di mettere insieme la meccanica quantistica con la relatività generale. Credit: Danist Soh (unsplah).

I limiti della relatività generale

Nonostante la gravità sia stata la prima forza fondamentale riconosciuta dall’umanità, è tutt’ora la meno compresa. Non tanto per come questa influenza stelle, pianeti e galassie, ma per come interagisce con le particelle più piccole. È un mistero per la maggior parte degli scienziati.

La ricerca, da un secolo a questa parte, si basa su una teoria che possa descrivere con precisione come la gravità operi con le particelle più piccole dell’universo. Come qualsiasi altra cosa in fisica, si sta cercando una regola che governi le galassie, i quark e tutto il resto a livello di microparticelle. Il problema è che la teoria della relatività di Einstein, a un certo punto, rischia di fallire. D’altronde i pianeti, le stelle e i corpi celesti in generale non sono altro che raccolte di atomi, che a loro volta sono costituiti da elettroni e quark.

L’incompatibilità tra meccanica quantistica e relatività generale

Delle quattro forze fondamentali dell’universo (di cui parlavamo prima), solo la gravità manca della descrizione “quantistica”. Nessuno può dire con assoluta certezza quale sia la causa prima dei campi gravitazionali o come le singole particelle agiscano al loro interno. Insomma, la teoria della relatività generale descrive il campo gravitazionale in termini geometrici usando la nozione di curvatura dello spaziotempo. Come tale, però, non è una teoria quantizzata, ovvero non assegna al campo gravitazionale particelle elementari come gli ipotetici gravitoni. Si tratta di ipotetiche particelle elementari responsabili della trasmissione della forza di gravità, secondo alcuni modelli teorici. Ma allo stesso tempo, nessuno ha mai dimostrato la loro esistenza.

Per la relatività generale, tra l’altro, la gravità è un effetto risultante dalla curvatura dello spaziotempo. In questo ambito un ipotetico gravitone rappresenterebbe una fluttuazione dello spaziotempo stesso e non quella di un campo.

La teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop

Nella relatività generale di Einstein non esiste uno spaziotempo fisso come nella meccanica di Newton, bensi` la geometria dello spaziotempo è dinamica. A certi livelli la relatività generale può essere considerata come una teoria di relazione in cui la sola informazione rilevante sotto il profilo fisico è la relazione tra eventi diversi nello spaziotempo. Dall’altra parte la meccanica quantistica è dipesa, fin dagli inizi, da una struttura di fondo non dinamica. Qui è il tempo che viene dato e non la dinamica. La teoria delle stringhe, in tal senso, è nata come una generalizzazione della teoria quantistica dei campi, dove al posto di particelle puntiformi oggetti simili a corde (le stringhe, appunto) si propagano in uno spaziotempo fisso.

Ci sono poi altri aspetti che mettono in disaccordo la meccanica quantistica e la teoria della relatività. Nella relatività generale, ad esempio, si accetta il concetto di singolarità come punto di collasso spaziotemporale, mentre nella meccanica quantistica questo concetto è privo di senso.

Oltre alla teoria delle stringhe, ce n’è un’altra che si è avvicinata a mettere insieme relatività con la meccanica quantistica. Si tratta della gravità quantistica a loop, una teoria quantistica della gravità nella quale lo spazio reale in cui accadono gli eventi, è quantizzato. Secondo tale teoria l’universo sarebbe costituito da anelli (loop in inglese) delle dimensioni infinitesimali di 10 alla meno 35 metri, ovvero dieci miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di nanometri. Questi anelli possono contenere a loro volta una certa quantità di energia che non può mai diventare infinita come in una singolarità gravitazionale, che la teoria esclude.

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