Il fisico teorico Joseph Polchinsky dell'Università della California a Santa Barbara ha predetto l'anno di completamento della creazione della teoria quantistica della gravità. Secondo lo scienziato, ciò avverrà nel 2131 e si baserà sulla teoria delle stringhe, che la stragrande maggioranza dei fisici e dei matematici moderni riconosce come l'unico candidato per il ruolo di "teoria del tutto". Polchinsky, vincitore del Fundamental Physics Prize istituito dall'imprenditore russo Yuri Milner, ha illustrato le sue considerazioni in un preprint sul sito web arXiv.org.
Nel processo di sviluppo, la fisica ha studiato scale di distanze sempre più piccole e scale di energie sempre più grandi. All'inizio del 20 ° secolo, gli scienziati hanno ricevuto le loro prime idee sui fenomeni che si verificano su scala atomica. Ormai, i fisici hanno accesso a scale da dieci a meno diciassette di centimetri, corrispondenti agli esperimenti al Large Hadron Collider, che hanno permesso di scoprire il bosone di Higgs. Confrontando le fasi e le velocità di sviluppo della fisica nel XX e all'inizio del XXI secolo, Polchinsky predisse che entro il 2131 la teoria quantistica della gravità sarebbe stata finalmente formulata. Per questo, lo scienziato ha esaminato l'evoluzione della fisica negli ultimi cento e dispari anni e ha confrontato i risultati dell'umanità di determinate scale energetiche con il tempo di questo evento.
Nel 1899, il fisico tedesco Max Planck introdusse in considerazione la lunghezza a lui intitolata, composta da costanti fondamentali (costante di Planck, costante gravitazionale e velocità della luce nel vuoto) e pari a dieci a meno trentatre potenze di centimetri. Al momento, questo valore è considerato una scala irraggiungibile per esperimenti moderni su cui opera la teoria delle stringhe. La scala di dieci centimetri alla meno diciassettesima potenza di centimetri su una scala logaritmica corrisponde alla metà della distanza. Di conseguenza, resta la stessa quantità di tempo prima della creazione della "teoria del tutto" che 116 anni sono passati dall'introduzione della lunghezza di Planck nella scienza.
Scala di lunghezza.
La piccolezza della lunghezza di Planck consente, secondo Polchinsky, di fornire la necessaria "sbavatura" delle interazioni, spiegando la non rinormalizzabilità (impossibilità di eliminare le divergenze) della teoria della gravità. Pertanto, l'SM e le tre interazioni fondamentali da esso descritte (elettromagnetica, debole e forte) sono rinormalizzabili, mentre la versione della gravità quantistica ottenuta per quantizzazione ingenua (cioè secondo la stessa ricetta della teoria dei campi classica), già nel secondo ordine della teoria delle perturbazioni risulta essere divergente.
Secondo Polchinsky, sulla scala di Planck, le fluttuazioni spazio-temporali diventano significative. Formano la cosiddetta schiuma spazio-temporale e forniscono la divergenza osservata della versione ingenua della gravità quantistica. Come esempio storico, lo scienziato cita la teoria di Enrico Fermi, che descriveva qualitativamente bene l'interazione debole, ma non era rinormalizzabile.
È stato solo dopo che Steven Weinberg, Sheldon Glashow e Abdus Salam hanno creato una teoria elettrodebole rinormalizzabile che combina interazioni elettromagnetiche e deboli e introduce bosoni elettrodeboli intermedi che è diventato chiaro che la teoria di Fermi è un'approssimazione a bassa energia di un altro modello più generale (in questo caso, l'elettrodebole) … Polchinsky crede che lo stesso accadrà con la gravità quantistica.
Joseph Polchinsky.
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Polchinsky collega l'unicità della dinamica della teoria delle stringhe con la presenza di un solo parametro necessario per descrivere la natura: la cosiddetta costante di stringa. Intanto, secondo lo scienziato, attualmente la "teoria del tutto" non ha alcun principio uniforme (principio primo) che ne consenta la deduzione in modo deduttivo. Per la relatività generale, esiste un tale elemento: il principio di equivalenza locale tra il campo gravitazionale e il moto con accelerazione. Il classico esempio di questo inizio è nell'ascensore. Con il suo movimento ascendente uniformemente accelerato rispetto alla Terra, l'osservatore al suo interno non è in grado di determinare se si trova in un campo gravitazionale più forte o si muove in un oggetto creato dall'uomo.
Nel suo articolo, Polchinsky menziona l'importanza delle fluttuazioni quantistiche per risolvere le equazioni della teoria delle stringhe. Nonostante il fatto che le moderne equazioni della teoria quantistica dei campi e della relatività generale descrivono bene il mondo osservato sulle scale sperimentali disponibili, possono essere modificate che non contraddicono i primi principi di queste teorie. Nel frattempo, questo porta a effetti che non sono stati osservati fino ad oggi, che sono significativi sulla scala di Planck.
Polchinsky si riferisce a modifiche come l'introduzione di termini con derivate superiori nelle equazioni della teoria quantistica dei campi (attualmente ci sono solo termini quadratici con le derivate prime dei campi) e l'aggiunta di termini quadratici nella curvatura dello spazio-tempo alle equazioni di Einstein in GR. Queste aggiunte portano alla necessità di tener conto delle fluttuazioni della schiuma spazio-temporale, che esiste, secondo le previsioni della teoria delle stringhe, sulla scala di Planck.
Schiuma quantistica.
Polchinsky spiega il ruolo dello spazio per la teoria delle stringhe usando l'esempio della simmetria speculare, che consente l'esistenza di varietà differenti di Eugenio Calabi e Shintana Yau, che, essendo compattate (piegate in dimensioni spaziali aggiuntive estremamente piccole) da diversi spazi, possono portare alle stesse proprietà delle particelle elementari … Questo (insieme al potenziale per l'esistenza di ulteriori dimensioni spaziali) suggerisce che la fisica osservata è una manifestazione della geometria multidimensionale dello spazio-tempo e della sua struttura sulla scala di Planck.
La dualità delle teorie di gauge e della gravità quantistica, intesa come olografia, consentirà, secondo Polchinsky, di descrivere la fisica delle particelle e la gravità in modo uniforme. Il principio olografico, proposto nel 1993 dal fisico olandese Gerard t'Hooft, afferma che l'informazione contenuta sul suo confine esterno (raggio) è sufficiente per una descrizione matematica di un mondo: in questo caso, un'idea di un oggetto di dimensione superiore può essere ottenuta da ologrammi, avere una dimensione inferiore.
Applicato alla teoria delle stringhe, il principio è stato incorporato nell'idea della corrispondenza AdS / CFT, che è stata evidenziata nel 1998 dal fisico teorico americano di origine argentina Juan Maldacena. In questa ipotesi, l'equivalenza della descrizione della fisica in spazi speciali porta all'esistenza di connessioni uniche tra i loro parametri: le dualità. Matematicamente, questo si manifesta in presenza di una relazione che permette di calcolare i parametri di interazione di particelle (o stringhe) di una delle teorie, se tali sono note per l'altra.
L'universo olografico.
Polchinsky collega il progresso nella comprensione della fisica dei buchi neri con il fatto che nel 1996, nell'ambito della teoria delle stringhe, Andrew Strominger e Kumrun Wafa hanno dimostrato la derivazione dell'espressione per l'entropia dei buchi neri, ottenuta per la prima volta termodinamicamente dal fisico israeliano Jacob Bekenstein nel 1973. La loro conclusione indica che l'evaporazione dei buchi neri preserva l'unitarietà della meccanica quantistica (associata a un'interpretazione coerente della probabilità), che era stata precedentemente messa in discussione dallo scienziato britannico Stephen Hawking.
L'arbitrarietà nei valori delle costanti fondamentali osservate, secondo Polchinsky, sebbene sia una seria difficoltà nella "teoria del tutto", tuttavia può chiarire alcune caratteristiche universali della natura (in particolare, l'esistenza del Multiverso). Lo scienziato ha chiamato il valore diverso da zero della costante cosmologica (il termine lambda nelle equazioni di Einstein) come la caratteristica principale che teoricamente indica l'esistenza di mondi paralleli. Secondo lo scienziato, la stragrande maggioranza delle teorie sulle stringhe coinvolge il multiverso. Questi modelli contengono anche una costante cosmologica diversa da zero. Cioè, secondo Polchinsky, l'uno non può esistere senza l'altro. Inoltre, applicando l'inferenza bayesiana, il fisico ha stimato la probabilità dell'esistenza del multiverso al 94 percento (ciò corrisponde a una significatività statistica di due deviazioni standard).
"Potreste non essere d'accordo con la mia stima del 94 per cento, ma non vi è alcun argomento razionale che il multiverso non esista o che sia improbabile", scrive Polchinsky. Lo scienziato è ottimista sulle prospettive per la formulazione della gravità quantistica (nell'ambito della teoria delle stringhe), continua a lavorare in questa direzione e non esclude che la costruzione di una "teoria del tutto" sarà completata prima del previsto - prima dell'anno 2131 da lui predetto.
Andrey Borisov
