Come conciliare i due pilastri della fisica moderna: teoria quantistica e gravità? Uno o entrambi devono cedere e arrendersi. Il nuovo approccio afferma che la gravità può fluire da fluttuazioni casuali a livello quantistico, rendendo la meccanica quantistica la più fondamentale delle due teorie. Le nostre due principali spiegazioni della realtà affermano che la teoria quantistica governa le interazioni delle particelle più piccole di materia. La relatività generale riguarda la gravità e le strutture più grandi dell'universo. Da quando Einstein creò la sua famosa teoria, i fisici hanno cercato di colmare il divario tra loro, ma senza successo.
Parte del problema è sapere quali elementi di ciascuna teoria sono fondamentali per la nostra comprensione della realtà.
Un approccio per riconciliare la gravità con la meccanica quantistica è stato quello di mostrare che la gravità, al suo livello più fondamentale, va in pezzi indivisibili - quanti, proprio come le forze elettromagnetiche fluiscono fuori dai quanti chiamati fotoni. Ma questo percorso verso la teoria della gravità quantistica si è rivelato impraticabile.
E così Antoine Tilloy del Max Planck Institute for Quantum Optics a Garching, in Germania, ha cercato di arrivare alla gravità modificando la meccanica quantistica standard.
Nella teoria quantistica, lo stato di una particella è descritto dalla sua funzione d'onda. La funzione d'onda consente di calcolare, ad esempio, la probabilità di trovare una particella in una particolare posizione durante la misurazione. Prima della misurazione, non è noto se la particella esista e, in tal caso, dove. La realtà sembra essere creata da un atto di osservazione che "distrugge" la funzione d'onda.
Ma la meccanica quantistica non definisce cosa sia una misurazione o un'osservazione. Ad esempio, c'è bisogno di un agente cosciente - un essere umano - in questo caso? Il problema della misurazione porta a paradossi come il gatto di Schrödinger, in cui il gatto può essere sia vivo che morto in una scatola allo stesso tempo finché qualcuno non apre la scatola e la guarda dentro.
Una soluzione a questi paradossi è il cosiddetto modello GRW, sviluppato alla fine degli anni '80. Include i "burst", che sono collassi spontanei casuali della funzione d'onda dei sistemi quantistici. Il risultato è esattamente lo stesso che se le misurazioni fossero state prese, ma senza un osservatore evidente.
Tilloy ha modificato questo modello per mostrare come potrebbe portare a una teoria della gravità. In questo modello, quando un flare distrugge la funzione d'onda e costringe la particella a trovarsi in un punto, crea un campo gravitazionale in quel momento nello spaziotempo. Un massiccio sistema quantistico con un gran numero di particelle mostra molti bagliori e con esso le fluttuazioni del campo gravitazionale.
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Risulta che, in media, da queste fluttuazioni ci si potrebbe aspettare un campo gravitazionale derivante dalla teoria della gravità di Newton (per maggiori dettagli, vedere arxiv.org/abs/1709.03809). Questo approccio alla combinazione della gravità con la meccanica quantistica è chiamato semiclassico: la gravità deriva dai processi quantistici, ma rimane una forza classica. "Non c'è motivo per ignorare questo approccio semiclassico, in cui la gravità rimane classica a un livello fondamentale", afferma Tilloy.
"Fondamentalmente, mi piace questa idea", afferma Klaus Hornberger dell'Università di Duisburg-Essen in Germania. Ma osserva anche che è necessario affrontare altri problemi prima che questo approccio diventi un serio contendente per unire tutte le forze fondamentali alla base delle leggi della fisica su larga e piccola scala. Ad esempio, il modello di Tilloy può essere utilizzato per derivare la gravità descritta dalla teoria di Newton, ma i matematici devono ancora determinare se descriverà efficacemente la gravità all'interno della teoria della relatività generale di Einstein.
Tuttavia, il suo modello fa previsioni che possono essere verificate. Ad esempio, prevede che la gravità si comporterà in modo diverso alla scala dell'atomo e su larga scala. Se i test dimostrano che il modello di Tilloy corrisponde alla realtà, e che la gravità deriva effettivamente dal collasso delle fluttuazioni quantistiche, questa sarebbe un'indicazione importante che una teoria del tutto includerebbe la gravità semiclassica.
Ilya Khel
