Abbiamo tutte le ragioni per credere che la gravità sia intrinsecamente una teoria quantistica. Ma come possiamo dimostrarlo una volta per tutte? La dottoressa Sabina Nossenfelder, fisica teorica, esperta di gravità quantistica e fisica delle alte energie, ne parla. Più lontano dalla prima persona.
Se hai una buona vista, gli oggetti più piccoli che puoi vedere saranno circa un decimo di millimetro: circa la larghezza di un capello umano. Aggiungi la tecnologia e la struttura più piccola che siamo stati in grado di misurare finora era di circa 10-19 metri, che è la lunghezza d'onda dei protoni che si scontrano all'LHC. Ci sono voluti 400 anni per passare dal microscopio più primitivo alla costruzione dell'LHC, un miglioramento di 15 ordini di grandezza in quattro secoli.
Si stima che gli effetti quantistici della gravità diventino rilevanti a scale di distanza di circa 10-35 metri, note come lunghezza di Planck. Questo è un altro percorso di 16 ordini di grandezza o un altro fattore di 1016 in termini di energia di collisione. Questo ti fa chiedere se ciò sia possibile o se tutti gli sforzi nel cercare di trovare una teoria quantistica della gravità rimarranno per sempre finzione inutile.
Sono ottimista. La storia della scienza è piena di persone che pensavano che molto fosse impossibile, ma in realtà si è rivelato il contrario: misurare la deflessione della luce nel campo gravitazionale del sole, macchine più pesanti dell'aria, rilevare le onde gravitazionali. Pertanto, non ritengo impossibile testare sperimentalmente la gravità quantistica. Potrebbero volerci decine o centinaia di anni, ma se continuiamo a muoverci, un giorno potremmo essere in grado di misurare gli effetti della gravità quantistica. Non necessariamente raggiungendo direttamente i successivi 16 ordini di grandezza, ma piuttosto mediante rilevamento indiretto a energie inferiori.
Ma dal nulla, niente nasce. Se non pensiamo a come potrebbero manifestarsi gli effetti della gravità quantistica e dove potrebbero apparire, sicuramente non li troveremo mai. Il mio ottimismo è alimentato da un crescente interesse per la fenomenologia della gravità quantistica, un'area di ricerca dedicata allo studio di come cercare al meglio le manifestazioni degli effetti della gravità quantistica.
Poiché nessuna teoria coerente è stata inventata per la gravità quantistica, gli sforzi attuali per trovare fenomeni osservabili sono concentrati sulla ricerca di modi per testare le caratteristiche generali della teoria, cercando proprietà che sono state trovate in alcuni diversi approcci alla gravità quantistica. Ad esempio, le fluttuazioni quantistiche nello spaziotempo, o la presenza di una "lunghezza minima" che segnerà il limite fondamentale della risoluzione. Tali effetti potrebbero essere determinati utilizzando modelli matematici, quindi si potrebbe stimare la forza di questi possibili effetti e capire quali esperimenti potrebbero dare i migliori risultati.
Testare la gravità quantistica è stato a lungo considerato fuori dalla portata degli esperimenti, a giudicare dalle stime, abbiamo bisogno di un collisore delle dimensioni della Via Lattea per accelerare i protoni abbastanza da produrre un numero misurabile di gravitoni (quanti del campo gravitazionale), oppure abbiamo bisogno di un rivelatore delle dimensioni di Giove per misurare i gravitoni che nascono ovunque. Non impossibile, ma certamente non qualcosa che ci si dovrebbe aspettare nel prossimo futuro.
Video promozionale:
Tali argomenti, tuttavia, riguardano solo la rilevazione diretta dei gravitoni, e questa non è l'unica manifestazione degli effetti della gravità quantistica. Ci sono molte altre conseguenze osservabili che la gravità quantistica può aumentare, alcune delle quali abbiamo già cercato e altre che intendiamo cercare. Finora, i nostri risultati sono puramente negativi. Ma anche quelli negativi sono preziosi, perché ci dicono quali proprietà la teoria di cui abbiamo bisogno potrebbe non avere.
Una conseguenza verificabile della gravità quantistica, ad esempio, potrebbe essere la rottura della simmetria, fondamentale per la relatività speciale e generale, nota come invarianza di Lorentz. È interessante notare che le violazioni dell'invarianza di Lorentz non sono necessariamente piccole, anche se create a distanze troppo piccole per essere osservate. La rottura della simmetria, d'altra parte, filtrerà attraverso le reazioni di molte particelle alle energie disponibili con incredibile precisione. Nessuna prova di violazioni dell'invarianza di Lorentz è stata ancora trovata. Può sembrare scarso, ma sapendo che questa simmetria deve essere osservata con il massimo grado di accuratezza nella gravità quantistica, puoi usarla per sviluppare una teoria.
Altre conseguenze verificabili potrebbero essere all'interno del campo debole della gravità quantistica. Nell'Universo primordiale, le fluttuazioni quantistiche nello spazio-tempo avrebbero dovuto portare a fluttuazioni di temperatura nella materia. Queste fluttuazioni di temperatura si osservano oggi, essendo impresse nella radiazione di fondo (CMB). L'impronta delle "onde gravitazionali primarie" sul fondo cosmico a microonde non è stata ancora misurata (LIGO non è abbastanza sensibile per questo), ma ci si aspetta che sia entro uno o due ordini di grandezza della precisione della misurazione corrente. Molte collaborazioni sperimentali stanno lavorando alla ricerca di questo segnale, tra cui BICEP, POLARBEAR e l'Osservatorio Planck.
Un altro modo per testare il limite del campo debole della gravità quantistica è provare a introdurre oggetti di grandi dimensioni in una sovrapposizione quantistica: oggetti che sono molto più pesanti delle particelle elementari. Ciò renderà il campo gravitazionale più forte e potenzialmente testerà il suo comportamento quantistico. Gli oggetti più pesanti che siamo riusciti finora a legare in una sovrapposizione pesano circa un nanogramma, che è di diversi ordini di grandezza inferiore a quello necessario per misurare il campo gravitazionale. Ma recentemente un gruppo di scienziati a Vienna ha proposto uno schema sperimentale che ci consentirebbe di misurare il campo gravitazionale in modo molto più accurato di prima. Ci stiamo lentamente avvicinando alla gamma di gravità quantistica.
(Tieni presente che questo termine differisce in astrofisica, dove "gravità forte" è talvolta usato per riferirsi a qualcos'altro, come grandi deviazioni dalla gravità newtoniana che possono essere trovate vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero.)
I forti effetti della gravità quantistica potrebbero anche lasciare un'impronta (diversa dagli effetti di campo debole) nella CMB (radiazione reliquia), in particolare nel tipo di correlazioni che si possono trovare tra le fluttuazioni. Esistono vari modelli di cosmologia delle stringhe e cosmologia dei circuiti quantistici che studiano le conseguenze osservabili e gli esperimenti proposti come EUCLID, PRISM e quindi WFIRST potrebbero trovare le prime indicazioni.
C'è un'altra idea interessante, basata su una recente scoperta teorica, secondo la quale il collasso gravitazionale della materia potrebbe non formare sempre un buco nero: l'intero sistema eviterà la formazione dell'orizzonte. In tal caso, l'oggetto rimanente ci darà una vista della regione con effetti gravitazionali quantistici. Non è chiaro, tuttavia, quali segnali dovremmo cercare per trovare un oggetto del genere, ma questa è una direzione di ricerca promettente.
Ci sono molte idee. Una vasta classe di modelli si occupa della possibilità che gli effetti gravitazionali quantistici dotino lo spaziotempo delle proprietà di un mezzo. Ciò può portare a dispersione della luce, birifrangenza, decoerenza o opacità dello spazio vuoto. Non puoi dire tutto in una volta. Ma, senza dubbio, c'è ancora molto da fare. La ricerca di prove che la gravità sia davvero una forza quantistica è già iniziata.
ILYA KHEL
