Relatività e meccanica quantistica: perché sono incompatibili

Nonostante possano essere applicate entrambe, creano un conflitto che i fisici cercano di risolvere da decenni. Ecco perché.

Vi sarà capitato di vedere film come “Interstellar”, ad esempio, in cui si cerca un modo per coniugare la meccanica quantistica con la relatività di Einstein per descrivere la gravità. È un conflitto che va avanti da decenni e al quale gli scienziati non sono riusciti a trovare una risposta univoca e condivisa. Ci avevano provato con la teoria delle stringhe, ma a tutt’oggi nessuno, nemmeno il grande Stephen Hawking è riuscito a trovare una “teoria del tutto” in grado di descrivere i fenomeni naturali con una sola equazione.

Cosa prevede la relatività generale

Per capire questa conflittualità, dobbiamo tornare per un attimo al 1915, quando Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale. Si tratta di una delle teorie di maggior successo della storia della scienza, tanto che le sue previsioni continuano ad essere confermate tutt’ora. Dalle scoperte relative ai buchi neri, al principio di equivalenza dimostrato nello spazio dal satellite MICROSCOPE, a come la luce emessa dalla stella S2, in orbita attorno al buco nero del centro galattico, mostri un redshift gravitazionale proprio come previsto dalla relatività generale. Sono solo alcuni esempi della validità della formula di Einstein.

Nonostante questo, la teoria della relatività non può essere la descrizione ultima della gravità. Si tratta di una teoria classica dei campi, che concepisce lo spazio e il tempo come continui, cioè infinitamente divisibili, e gli eventi che in essi accadono come deterministici, ovvero dipendenti gli uni dagli altri in base a precise e quantificabili relazioni di causa-effetto. Nella relatività generale massa ed energia e spazio e tempo sono vincolati da rapporti numerici. Essi descrivono con precisione distribuzione e moto della massa-energia, nonché la curvatura dello spazio-tempo in qualunque luogo e momento temporale.

Ok, ma cosa c’entra in tutto questo la meccanica quantistica? Il problema è che le previsioni di Einstein funzionano solo per il macrocosmo, ovvero per sistemi di grandi dimensioni.

La meccanica quantistica

Quando ci si avventura nel mondo microscopico, i fenomeni osservabili sono regolati da leggi formulate da un’altra descrizione della realtà, efficace almeno quanto la relatività generale: la fisica quantistica. Nel mondo dei quanti, spazio e tempo non sono continui come nella relatività generale, ma discreti. Esistono limiti alla loro divisibilità, al di sotto dei quali spazio e tempo perdono di significato. Sono la lunghezza (1,6×10⁻³⁵ m) e il tempo di Planck (5,4×10⁻⁴⁴ s).

Non basta. A fondamento della fisica quantistica c’è il principio di indeterminazione, che sostiene sia impossibile conoscere con precisione assoluta entrambi i valori di grandezze coniugate, come la quantità di moto e la posizione di una determinata particella. È un principio che nasce dalla natura ondulatoria dei quanti: non solo i fotoni, ma anche particelle come protoni, elettroni e neutroni sono descritti nella fisica quantistica da funzioni d’onda che hanno una distribuzione probabilistica. Vuol dire che nel mondo subatomico c’è sempre una certa dose di incertezza che non possiamo eliminare.

Insomma, l’indeterminazione intrinseca dei quanti “spazza via” la classica e ordinata bellezza del mondo descritto dalla relatività generale. Si usa quest’ultima per descrivere, ad esempio, i fenomeni di lente gravitazionale generati da ammassi di galassie. Si ricorre alla fisica quantistica quando si studia il fenomeno di entanglement tra particelle arbitrariamente distanti.

Riferimenti:

• https://it.wikipedia.org/wiki/Gravit%C3%A0_quantistica#:~:text=L’incompatibilit%C3%A0%20tra%20meccanica%20quantistica%20e%20relativit%C3%A0%20generale,-Nella%20relativit%C3%A0%20generale&text=In%20questa%20teoria%20%C3%A8%20il,lo%20sfondo%20fisso%20della%20teoria.
• https://plato.stanford.edu/entries/qm-relational/