"Come amico anziano, devo dissuaderti da questa attività, perché, in primo luogo, non riuscirai in questa attività, e anche se ci riuscirai, nessuno ti crederà comunque."
Dalla lettera di Max Planck ad Albert Einstein sul tentativo di Einstein di risolvere la contraddizione tra Relatività Speciale e gravità newtoniana
Sin dai tempi antichi, l'umanità è sempre stata affascinata dai concetti di Spazio (Cielo) e Tempo (Inizio, Cambiamento e Fine). I primi pensatori, a partire da Gautama Buddha, Lao Tzu e Aristotele, affrontarono attivamente questi concetti. Nel corso dei secoli, il contenuto del ragionamento di questi pensatori ha cristallizzato nella coscienza umana quelle immagini mentali che ora utilizziamo nella nostra vita quotidiana. Pensiamo allo spazio come a un continuum tridimensionale che ci avvolge. Rappresentiamo il tempo come la durata di qualsiasi processo, non influenzato dalle forze che agiscono nell'universo fisico. E insieme formano il palcoscenico su cui si sviluppa l'intero dramma delle interazioni, i cui attori sono tutto il resto: stelle e pianeti, campi e materia, tu e io.
Per oltre mille anni, quattro libri di fisica scritti da Aristotele hanno fornito le basi per le scienze naturali. Mentre Eraclito credeva che l'Universo fosse in uno sviluppo senza fine e tutti i processi in esso non iniziarono e non finiranno mai, Parmenide insegnò che il concetto stesso di movimento è incompatibile con chi è l'Uno, Continuo ed Eterno. Aristotele incorporò entrambe queste idee nel suo sistema cosmogonico. Tutti i cambiamenti erano ora associati alla Terra e alla Luna, poiché questi cambiamenti erano evidenti. L'immutabilità è stata trasferita ad altri pianeti, il sole e le stelle, perché erano belli, immutabili ed eterni. Nel linguaggio moderno, si può sostenere che Aristotele operasse con il tempo assoluto, lo spazio con una struttura assoluta, e tutto ciò fu fornito dalla Terra che cambia. Questi concetti sono alla base della vera, a quel tempo, percezione e descrizione del mondo, che Isaac Newton studiò nel 1661-1665, come studente a Cambridge.
Vent'anni dopo, Newton ribaltò questi dogmi secolari. Pubblicando la sua visione del mondo che ci circonda nel 1686, ha fornito una nuova comprensione dell'universo che ci circonda. Secondo i suoi principi, il tempo si è rivelato essere un davanzale, sostituito da un continuum dimensionale. Era ancora assoluto e lo stesso per tutti gli osservatori. Tutti gli eventi simultanei costituivano un continuum spaziale tridimensionale. Così, la struttura assoluta dello spazio è scomparsa nel suo ragionamento. Grazie alle lezioni di Copernico, la Terra fu rimossa dalla sua posizione privilegiata nell'universo. La relatività galileiana metteva tutti gli osservatori inerziali su una piattaforma fisica con precisione matematica. I principi newtoniani distrussero l'ortodossia aristotelica abolendo la distinzione tra cielo e terra. Il paradiso non era più lo stesso. Per la prima volta in fisica, sono sorti principi universali. La mela che cadeva sulla terra e i pianeti che si muovevano nelle loro orbite attorno al sole erano ora soggetti alle stesse leggi. I cieli non erano più così misteriosi poiché erano soggetti alla consapevolezza della mente umana. Già nei primi anni del 1700, all'udienza della Royal Society of Great Britain, cominciarono ad apparire opere che predicevano non solo il movimento di Giove, ma anche il movimento delle sue lune! Non sorprende che a quel tempo l'atteggiamento nei confronti di Newton fosse pieno non solo di scetticismo, ma anche di paura, e non solo da parte dei non professionisti, ma anche da parte dell'intellighenzia europea di punta. Ad esempio, il marchese de L'Hôpital, noto agli studenti moderni per la sua regola per il calcolo dei limiti,ha scritto dalla Francia a John Arbuthnot in Inghilterra riguardo a Newton e ai suoi Principi come segue:
- Mio Dio! Quali basi della conoscenza ci appaiono in quel libro? Mangia, beve e dorme? Gli altri uomini sono come lui?
Come ha detto Richard Westfold nella sua rispettatissima biografia di Never Alone di Newton:
- Fino al 1687 Newton non era certo una persona famosa nei circoli filosofici. Tuttavia, nulla ha preparato il mondo della filosofia naturale per l'emergere dei suoi Principi. Principi che sono diventati un punto di svolta per lo stesso Newton, che, dopo vent'anni di ricerca, è finalmente passato dalla realizzazione alla realizzazione. Principi che sono diventati un punto di svolta per la filosofia naturale.
Video promozionale:
I principi newtoniani divennero la nuova ortodossia e regnarono sovrani per più di 150 anni. La prima sfida alla comprensione del mondo da parte di Newton fu lanciata in un'area della fisica completamente inaspettata e fu associata allo sviluppo della comprensione dei fenomeni elettromagnetici. A metà del XIX secolo, il fisico scozzese James Clark Maxwell raggiunse una straordinaria sintesi di tutte le conoscenze accumulate in questo campo scrivendo le sue quattro famose equazioni vettoriali. Queste equazioni hanno ulteriormente fornito una comprensione del significato speciale della velocità della luce. Ma a quel tempo era impossibile capire. La velocità assoluta di trasmissione dell'interazione contraddiceva chiaramente il principio di relatività di Galileo, che era la pietra angolare del modello di spazio-tempo di Newton. A quel punto, la maggior parte dei fisici credeva incondizionatamente nella verità del mondo newtoniano e quindi giunse alla conclusione che le equazioni di Maxwell possono essere soddisfatte solo in un certo ambiente chiamato etere. Ma, facendo tali affermazioni, tornarono involontariamente ad Aristotele, il quale affermava che la struttura assoluta dello spazio è inerente alla Natura. E in questo stato, questo problema è durato per circa 50 anni.
E ora il ventiseienne Albert Einstein pubblica il suo famoso lavoro "Sull'elettrodinamica dei supporti in movimento". In questo lavoro, Einstein accettò la verità del valore delle costanti contenute nelle equazioni di Maxwell e, usando semplici esperimenti mentali, mostrò chiaramente che la velocità della luce è una costante universale, che mantiene il suo valore per tutti gli osservatori inerziali. Ha dimostrato che il concetto di simultaneità fisica assoluta è insostenibile. Eventi spazialmente separati che sembrano essere simultanei a un osservatore non lo sono per un altro osservatore che si muove rispetto al primo a velocità costante.
È apparso chiaro che il modello newtoniano dello spazio-tempo può essere solo un'approssimazione, valida nel caso in cui le velocità considerate siano molto inferiori alla velocità della luce. È emerso un nuovo modello di spazio-tempo, incluso un nuovo principio di relatività, chiamato Teoria della Relatività Speciale. Questa teoria ha avuto un significato rivoluzionario a suo tempo. Secondo lei, il tempo ha perso la sua posizione assoluta in fisica. Il continuum spazio-temporale quadridimensionale è diventato assoluto. Le distanze nello spazio-tempo quadridimensionale tra gli eventi sono ben definite, ma solo gli intervalli temporali o solo spaziali tra gli eventi hanno cominciato a dipendere dalla scelta di un quadro di riferimento, cioè dalla velocità di movimento di un osservatore rispetto a un altro. La nuova teoria ha fornito previsioni insolite e spettacolari,che all'epoca erano difficili da percepire. Energia e massa hanno perso la loro unicità e potrebbero essere trasformate l'una nell'altra, secondo la nota formula E = mc2. Va notato qui che questo rapporto apparve per la prima volta nel 1895 nell'opera di Henri Poincaré "Sulla misurazione del tempo", pubblicata sulla rivista filosofica parigina e quindi non attirò l'attenzione dei fisici, ma acquisì il suo significato attuale dopo il lavoro di Einstein. Immagina che l'energia contenuta in un grammo di materia possa illuminare un'intera città per un anno. Un gemello che aveva lasciato sua sorella sulla Terra e si era trasferito in un'astronave a una velocità prossima a quella della luce sarebbe tornato per scoprire che sua sorella era invecchiata di diversi decenni al confronto. Queste previsioni erano così inaspettate che molti scienziati delle principali università hanno sostenutoche la teoria data non può essere praticabile. Tuttavia, si sbagliavano tutti. I reattori nucleari funzionano sulla Terra e le stelle brillano nei cieli, convertendo la massa in energia, corrispondendo esattamente alla formula E = mc2. Nei laboratori ad alta energia, le particelle instabili accelerate a velocità prossime alla luce vivono decine e centinaia di volte più a lungo delle loro controparti che riposano sulla terra.
Tuttavia, nonostante tutta la natura rivoluzionaria della SRT, un aspetto dello spazio-tempo è rimasto aristotelico. Rimase un'arena passiva per tutti gli eventi, una tela su cui le forze motrici dell'Universo dipingono il loro quadro. A metà del 19 ° secolo, i matematici hanno capito che la geometria di Euclide, che tutti abbiamo studiato a scuola, è una delle possibili geometrie. Ciò portò all'idea formulata più chiaramente da Richard Riemann nel 1854. Ha detto che la geometria dello spazio fisico potrebbe non obbedire agli assiomi di Euclide, ma potrebbe essere curva a causa della presenza di materia nell'Universo. Nelle sue idee, lo spazio cessava di essere passivo e veniva cambiato dalla materia. Ci sono voluti altri 61 anni perché questa idea fosse richiesta.
Un evento così grande fu la pubblicazione da parte di Einstein nel 1915 della sua Teoria generale della relatività. In questa teoria, lo spaziotempo ha assunto la forma di un continuum quadridimensionale. La geometria di questo continuum è curva e il grado di curvatura simula i campi gravitazionali nel continuum stesso. Lo spazio-tempo ha cessato di essere inerte. Agisce sulla materia e la materia agisce su di essa. Come disse il famoso fisico americano John Wheeler:
- La materia dice allo spazio-tempo come piegarsi e lo spazio-tempo dice alla materia come muoversi.
Non ci sono più spettatori nella danza cosmica, nessuno sfondo su cui si svolgono tutti gli eventi. La scena stessa si è unita al cast. Questo è un profondo cambiamento nella visione del mondo. Poiché tutti i sistemi fisici si trovano nello spazio-tempo, un tale cambiamento di prospettiva ha scosso tutte le basi della filosofia naturale. Ci sono voluti molti decenni perché i fisici venissero a patti con le molte applicazioni di questa teoria, ei filosofi arrivarono a patti con una nuova comprensione del mondo che è nata dalla Relatività Generale.
2. La gravità è la geometria
“È come se il muro che ci separava dalla verità fosse crollato. Spazi più ampi e profondità senza fondo si aprono all'occhio in cerca di conoscenza, aree di cui non avevamo idea"
Hermann Weil "Teoria generale della relatività"
Si può presumere che quando ha scritto il suo lavoro, Einstein, apparentemente, sia stato ispirato da due fatti abbastanza semplici. Innanzitutto l'universalità della gravità, dimostrata da Galileo nei suoi celebri esperimenti sulla Torre pendente di Pisa. La gravità è universale, poiché tutti i corpi dalla torre sono caduti allo stesso modo se solo la forza gravitazionale ha agito su di loro. In secondo luogo, la gravità si manifesta sempre come attrazione. Questa sua proprietà lo distingue fortemente, ad esempio, dalla forza elettrostatica, descritta dalla legge nella stessa forma della legge di gravitazione universale e che si manifesta a seconda del tipo di cariche interagenti e come attrazione e repulsione. Di conseguenza, mentre la forza elettrostatica può essere schermata ed è abbastanza facile creare aree in cui non agirà,la gravità non può essere controllata in linea di principio. Pertanto, la gravità è onnipresente e agisce su tutti i corpi allo stesso modo. Questi due fatti parlano di una forte differenza tra la gravità e altre interazioni fondamentali e suggeriscono che la gravità è una manifestazione di qualcosa di più profondo e universale. Poiché lo spaziotempo è altrettanto onnipresente e universale, Einstein suggerì che la gravità non si manifesta come una forza, ma come una curvatura della geometria dello spaziotempo. Lo spazio-tempo in General Theory of Relativity è malleabile e può essere modellato da un foglio di gomma bidimensionale piegato da corpi massicci. Ad esempio, il sole, essendo pesante, piega fortemente lo spazio-tempo. I pianeti, come tutti i corpi che cadono sulla Terra, si muovono lungo traiettorie “diritte”, ma solo in una geometria curva. In un preciso senso matematico, seguono i percorsi più brevi, chiamati linee geodetiche - queste sono generalizzazioni di linee rette della geometria piana di Euclide alla geometria curva di Riemann. Quindi, se consideriamo uno spazio-tempo curvo, ad esempio, la Terra sceglierà una traiettoria ottimale in tale spazio, che è un completo analogo di una linea retta. Ma poiché lo spazio-tempo è curvo, nella proiezione sullo spazio piatto di Euclide e Newton, questa traiettoria sarà ellittica.poiché lo spazio-tempo è curvo, nella proiezione sullo spazio piatto di Euclide e Newton, questa traiettoria sarà ellittica.poiché lo spazio-tempo è curvo, nella proiezione sullo spazio piatto di Euclide e Newton, questa traiettoria sarà ellittica.
Il fascino della Teoria della Relatività Generale sta nel fatto che, utilizzando una matematica elegante, ha trasformato queste idee concettualmente semplici in equazioni concrete e utilizza queste equazioni per fare previsioni sorprendenti sulla natura della realtà fisica. Prevede che l'orologio dovrebbe correre più veloce a Kathmandu che a Yalta. I nuclei galattici dovrebbero agire come lenti gravitazionali giganti e mostrarci spettacolari immagini multiple di quasar distanti. Due stelle di neutroni che ruotano attorno a un centro comune dovrebbero perdere energia a causa delle increspature nello spazio-tempo curvo causate dal loro movimento a spirale, convergenti in un unico centro, seguito dalla loro collisione. Negli ultimi anni sono stati condotti molti esperimenti per testare queste e previsioni anche più esotiche. E ogni volta la Teoria della Relatività Generale ha avuto la meglio. L'accuratezza di alcuni esperimenti ha superato l'accuratezza dei leggendari esperimenti sulla rivelazione di un quanto del campo elettromagnetico. Questa combinazione di profondità concettuale, eleganza matematica e successo nell'osservazione non ha precedenti. Per questo la Teoria della Relatività Generale, da un lato, è considerata una delle teorie fisiche più elevate, e dall'altro suscita un notevole interesse, in quanto oggetto di varie e non sempre professionali critiche.perché la Teoria della Relatività Generale, da un lato, è considerata come una delle più alte teorie fisiche, e dall'altro suscita notevole interesse, come oggetto di ogni genere e non sempre critica professionale.perché la Teoria della Relatività Generale, da un lato, è considerata come una delle più alte teorie fisiche, e dall'altro suscita un notevole interesse, come oggetto di ogni tipo e non sempre di critica professionale.
3. Big bang e buchi neri
“I fisici hanno fatto brillantemente, ma hanno mostrato i limiti dell'intuizione, priva dell'aiuto della matematica. Hanno scoperto che la comprensione della natura è molto difficile da progredire. Il progresso scientifico doveva essere pagato con l'ammissione dispregiativa che la realtà era costruita in modo tale da non essere facilmente catturata dalla percezione umana"
Edward O. Wilson “Coincidence. L'unità della conoscenza"
L'avvento della teoria della relatività generale ha inaugurato l'era della cosmologia moderna. Su scala molto ampia, l'universo intorno a noi appare omogeneo e isotropo. Questa visione è la più grande realizzazione del principio copernicano: nel nostro universo non ci sono punti scelti, nessuna direzione scelta. Nel 1922, utilizzando le equazioni di Einstein, il matematico russo Alexander Fridman dimostrò che un tale universo non può essere statico. Deve espandersi o comprimersi. Nel 1929, l'astronomo americano Edwin Hubble scoprì che l'universo si stava davvero espandendo. Questo fatto, a sua volta, implica che questo processo debba avere il suo inizio, in cui la densità di gravità e, di conseguenza, la curvatura dello spazio-tempo devono essere infinitamente grandi. Il concetto del Big Bang è emerso. Attenta osservazione,soprattutto negli ultimi 20 anni, hanno dimostrato che questo evento è probabilmente avvenuto 14 miliardi di anni fa. Da allora, le galassie si sono allontanate e la gravità media è diminuita costantemente. Combinando la nostra conoscenza della Teoria della Relatività Generale con la fisica di laboratorio, possiamo fare molte previsioni dettagliate. Ad esempio, possiamo calcolare la quantità relativa di elementi leggeri i cui nuclei si sono formati nei primi tre minuti dopo l'esplosione (vedi, ad esempio, qui). Possiamo prevedere l'esistenza e le proprietà della radiazione primaria (fondo a microonde relitto) emessa quando l'universo aveva circa 400.000 anni. E possiamo dire che le prime galassie si sono formate quando l'universo aveva un miliardo di anni. Un'incredibile varietà di tempi e varietà di fenomeni!è avvenuto 14 miliardi di anni fa. Da allora, le galassie si sono allontanate e la gravità media è diminuita costantemente. Combinando la nostra conoscenza della Teoria della Relatività Generale con la fisica di laboratorio, possiamo fare molte previsioni dettagliate. Ad esempio, possiamo calcolare la quantità relativa di elementi leggeri i cui nuclei si sono formati nei primi tre minuti dopo l'esplosione (vedi, ad esempio, qui). Possiamo prevedere l'esistenza e le proprietà della radiazione primaria (fondo a microonde relitto) emessa quando l'universo aveva circa 400.000 anni. E possiamo dire che le prime galassie si sono formate quando l'universo aveva un miliardo di anni. Un'incredibile varietà di tempi e varietà di fenomeni!è avvenuto 14 miliardi di anni fa. Da allora, le galassie si sono allontanate e la gravità media è diminuita costantemente. Combinando la nostra conoscenza della Teoria della Relatività Generale con la fisica di laboratorio, possiamo fare molte previsioni dettagliate. Ad esempio, possiamo calcolare la quantità relativa di elementi leggeri, i cui nuclei si sono formati nei primi tre minuti dopo l'esplosione (vedi, ad esempio, qui). Possiamo prevedere l'esistenza e le proprietà della radiazione primaria (fondo a microonde reliquia) emessa quando l'universo aveva circa 400.000 anni. E possiamo dire che le prime galassie si sono formate quando l'universo aveva un miliardo di anni. Un'incredibile varietà di tempi e varietà di fenomeni!Combinando la nostra conoscenza della Teoria della Relatività Generale con la fisica di laboratorio, possiamo fare molte previsioni dettagliate. Ad esempio, possiamo calcolare la quantità relativa di elementi leggeri i cui nuclei si sono formati nei primi tre minuti dopo l'esplosione (vedi, ad esempio, qui). Possiamo prevedere l'esistenza e le proprietà della radiazione primaria (fondo a microonde relitto) emessa quando l'universo aveva circa 400.000 anni. E possiamo dire che le prime galassie si sono formate quando l'universo aveva un miliardo di anni. Un'incredibile varietà di tempi e varietà di fenomeni!Combinando la nostra conoscenza della Teoria della Relatività Generale con la fisica di laboratorio, possiamo fare molte previsioni dettagliate. Ad esempio, possiamo calcolare la quantità relativa di elementi leggeri i cui nuclei si sono formati nei primi tre minuti dopo l'esplosione (vedi, ad esempio, qui). Possiamo prevedere l'esistenza e le proprietà della radiazione primaria (fondo a microonde relitto) emessa quando l'universo aveva circa 400.000 anni. E possiamo dire che le prime galassie si sono formate quando l'universo aveva un miliardo di anni. Un'incredibile varietà di tempi e varietà di fenomeni!per esempio qui). Possiamo prevedere l'esistenza e le proprietà della radiazione primaria (fondo a microonde reliquia) emessa quando l'universo aveva circa 400.000 anni. E possiamo dire che le prime galassie si sono formate quando l'universo aveva un miliardo di anni. Un'incredibile varietà di tempi e varietà di fenomeni!per esempio qui). Possiamo prevedere l'esistenza e le proprietà della radiazione primaria (fondo a microonde relitto) emessa quando l'universo aveva circa 400.000 anni. E possiamo dire che le prime galassie si sono formate quando l'universo aveva un miliardo di anni. Un'incredibile varietà di tempi e varietà di fenomeni!
Inoltre, la teoria della relatività generale ha cambiato l'approccio filosofico alla questione dell'inizio. Fino al 1915, questo argomento poteva essere discusso quando Emmanuel Kant sosteneva che l'universo potrebbe non aver avuto un inizio finito. Allora si potrebbe porre la domanda: cosa c'era prima? Ma questa domanda presuppone implicitamente che lo spazio e il tempo siano sempre esistiti e l'universo sia nato con la materia. Nella Teoria della Relatività Generale, non ha senso porre una domanda del genere, poiché lo spazio-tempo nasce insieme alla materia nel Big Bang. La domanda "Cosa c'era prima?" non significa più niente. In un certo senso, il Big Bang è il confine dove finisce lo spazio-tempo, dove si interrompe lo stesso continuum spazio-temporale. La Teoria della Relatività Generale al tempo del Big Bang ha stabilito un confine naturale per la fisica che non ha permesso di guardare oltre.
Quando si tratta di buchi neri, la Relatività Generale ha scoperto anche altre contingenze. La prima soluzione all'equazione di Einstein che descrive un buco nero fu ottenuta già nel 1916 dall'astrofisico tedesco Karl Schwarzschild, che combatté nell'esercito tedesco sui fronti della prima guerra mondiale. Tuttavia, la comprensione del significato fisico di questa decisione ha richiesto molto tempo. Il modo più naturale per la formazione dei buchi neri è la morte delle stelle. Durante il bagliore di una stella che brucia combustibile nucleare, la pressione radiale esterna può controbilanciare la gravità. Ma dopo che tutto il carburante è stato bruciato, l'unica forza che può competere con l'attrazione gravitazionale è la forza repulsiva generata dal principio di esclusione meccanica quantistica di Pauli. Durante il suo famoso viaggio a Cambridge,Il ventenne Subrahmanyan Chandrasekhar ha combinato i principi della relatività speciale e della meccanica quantistica per dimostrare che se una stella è abbastanza massiccia, la gravità può vincere le forze repulsive generate dal principio di esclusione di Pauli. Di conseguenza, la stella completa la sua evoluzione come buco nero. Durante gli anni Trenta, ha corretto e aumentato i suoi calcoli e ha fornito argomenti inconfutabili a favore di un simile scenario di crash delle stelle. Tuttavia, l'eminente astrofisico britannico del tempo, Arthur Eddington, non accettò l'idea di un simile scenario e affermò che con calcoli "corretti", la teoria della relatività speciale semplicemente non è applicabile. Oggi, anche uno studente fallirebbe l'esame se cercasse di fornire tale ragionamento nel suo ragionamento. I principali fisici quantistici dell'epoca, Borovskaya e Dirac, concordarono prontamente con i risultati di Chandrasekhar, ma lo fecero con lettere personali, senza pensare di sottolineare pubblicamente gli errori di Eddington. Questo è stato corretto solo nel 1983, quando Chandrasekhar è stato insignito del Premio Nobel. Di conseguenza, questo malinteso ha ritardato di diversi decenni non solo il riconoscimento del lavoro di Chandrasekhar, ma anche la percezione dei buchi neri come oggetti reali.come oggetti reali.come oggetti reali.
Stranamente, ma anche lo stesso Einstein non percepiva i buchi neri. Già nel 1939 pubblicò un articolo sugli Annals of Mathematics, in cui sosteneva che i buchi neri non possono essere formati dal collasso delle stelle. Ha sostenuto che i calcoli erano corretti, ma la conclusione era il risultato di un'ipotesi non realistica. Solo pochi mesi dopo, i fisici americani Robert Oppenheimer e Hartland Snyder pubblicarono il loro lavoro ormai classico, dimostrando inconfutabilmente che le stelle massicce completano la loro evoluzione con la formazione di un buco nero. È stato dimostrato che un buco nero è una regione in cui la curvatura dello spazio-tempo è così forte che anche la luce non è in grado di lasciarlo. Pertanto, secondo la Teoria della Relatività Generale, queste aree appaiono nere come la pece agli osservatori esterni. Se passiamo all'analogia di una superficie di gomma bidimensionale, risulta che la deflessione dello spazio-tempo in un buco nero è così grande che in realtà si rompe, formando una singolarità. Come con il Big Bang, la curvatura diventa infinita. Lo spazio-tempo forma l'orizzonte degli eventi e la fisica si ferma a questo orizzonte.
Eppure, a quanto pare, i buchi neri sono oggetti comuni nell'universo. La teoria generale della relatività, combinata con la nostra conoscenza del processo di evoluzione stellare, prevede che l'Universo dovrebbe avere un numero enorme di buchi neri con masse dell'ordine di 10-50 masse solari, che sono i prodotti dell'attività vitale di stelle massicce. In effetti, i buchi neri sono attori importanti nell'astronomia e nell'astrofisica moderna. Sono potenti sorgenti di alcuni dei fenomeni più energetici dell'universo, come il famoso raggio gamma emesso da un enorme buco nero. Questo raggio trasporta l'energia che 1000 soli emettono durante tutta la loro vita. Un buco nero si verifica a seguito di un'esplosione di supernova che completa la vita di una stella massiccia. E una tale esplosione viene registrata ogni giorno. I centri di tutte le galassie ellittiche sembrano esserecontengono buchi neri supermassicci con masse dell'ordine di milioni di masse solari. La nostra galassia, la Via Lattea, ha un buco nero al centro con una massa di 3,2 milioni di masse solari.
4. Dopo Einstein
“In effetti, nuove aree della nostra esperienza porteranno sempre alla cristallizzazione di un nuovo sistema di conoscenze e leggi scientifiche. Di fronte a nuove e straordinarie sfide intellettuali, seguiamo continuamente l'esempio di Colombo, che ha avuto il coraggio di lasciare il mondo conosciuto nella speranza quasi folle di scoprire terre dall'altra parte del mare.
V. Geisenberg "Cambiamenti recenti nelle scienze esatte"
La teoria della relatività generale è la migliore teoria della gravità e della struttura spazio-temporale che abbiamo oggi. Può descrivere una serie impressionante di fenomeni che vanno dalla grande espansione cosmica al funzionamento di un sistema di posizionamento mondiale sulla Terra. Ma questa teoria è incompleta in quanto ignora gli effetti quantistici che governano il mondo subatomico. Inoltre, queste due teorie sono fondamentalmente diverse. Il mondo della Teoria della Relatività Generale possiede l'accuratezza geometrica, è deterministico. A differenza di questo mondo, il mondo della meccanica quantistica è soggetto a dubbi, è probabilistico. I fisici mantengono questo stato felice, quasi schizofrenico, usando la Relatività Generale per descrivere fenomeni su larga scala in astronomia e cosmologia.e la teoria quantistica per descrivere le proprietà degli atomi e delle particelle elementari. Nota che questa è una strategia abbastanza praticabile poiché questi due mondi sono molto rari. Tuttavia, questa strategia è, da un punto di vista concettuale, molto insoddisfacente. Tutto nella nostra esperienza fisica ci dice che ci deve essere una teoria più grande e più completa, dalla quale devono derivare sia la Teoria della Relatività Generale che la teoria quantistica come casi speciali e limitati. Al posto di una tale teoria, la teoria quantistica della gravità afferma. Questo è un problema urgente, che segue logicamente il lavoro di Einstein. Contrariamente al punto di vista generalmente accettato, formato a seguito delle successive osservazioni di Einstein sull'incompletezza della meccanica quantistica, conosceva chiaramente questa limitazione della Teoria della Relatività Generale. Meravigliosoma Einstein ha sottolineato la necessità di creare una teoria quantistica della gravità nel 1916! In un articolo pubblicato sulla Preussische Akademie Sitzungsberichte, ha scritto:
- Tuttavia, a causa del movimento intra-atomico degli elettroni, gli atomi dovevano emettere non solo energia elettromagnetica, ma anche gravitazionale, ma solo in piccole quantità. Poiché tutto è uno in Natura, sembra che la teoria quantistica avrebbe dovuto cambiare non solo l'elettrodinamica di Maxwell, ma anche la nuova teoria della gravitazione.
Nel Big Bang e nella singolarità del buco nero, il mondo molto grande e quello molto piccolo si incontrano. Pertanto, sebbene al momento questo incontro sia un segreto per noi, sigillato con sette sigilli, ma è questa la porta attraverso la quale possiamo andare oltre la Teoria della Relatività Generale. Attualmente si ritiene che la fisica reale non possa fermarsi alla soglia dell'orizzonte degli eventi. Molto probabilmente è il fallimento della Teoria della Relatività Generale. È chiaro che la fisica teorica deve rivedere ancora una volta la nostra comprensione dello spazio-tempo. Abbiamo bisogno di un nuovo linguaggio che possa scrutare oltre queste porte dell'ignoto.
La creazione di questo linguaggio è considerata la sfida più seria e più importante che deve affrontare oggi la fisica fondamentale. Ci sono diversi approcci in questa direzione oggi. Uno di questi è legato alla teoria delle stringhe, ma ci concentreremo sul concetto di gravità quantistica a loop. Questo è un approccio alla costruzione di una teoria quantistica che è emerso più di 20 anni fa nel lavoro del fisico indiano Abhay Ashtekar e attualmente si ritiene che sia un'alternativa all'approccio delle stringhe per risolvere questo problema.
Nella Teoria della Relatività Generale, lo spazio-tempo è un continuum. L'idea di base alla base della gravità del ciclo quantistico è l'affermazione che questo continuum è solo un'approssimazione interrotta alle cosiddette distanze di Planck. La lunghezza di Planck è una quantità unica che può essere costruita dalla costante gravitazionale, dalla costante di Planck nella fisica quantistica e dalla velocità della luce. Questa lunghezza è di 3,10-33 cm, ovvero 20 ordini di grandezza inferiore al raggio del protone. Pertanto, anche sui più potenti acceleratori di particelle sulla Terra, puoi lavorare in sicurezza con il continuum spazio-temporale. Ma questa situazione cambia radicalmente, in particolare, vicino al Big Bang e nei buchi neri. In questi casi, è necessario utilizzare uno spazio-tempo quantizzato, il cui quanto è il quanto di gravità del ciclo.
Cerchiamo di capire cos'è un quanto di spazio-tempo. Passiamo al foglio di carta che abbiamo di fronte. Per noi sembra un solido continuum bidimensionale. Ma sappiamo anche che è costituito da atomi. Questo foglio ha una struttura discreta che diventa solo una dichiarazione se non lo guardiamo, ad esempio, con un microscopio elettronico. Adesso oltre. Einstein ha sostenuto che la geometria dello spaziotempo non è meno fisica della materia. E quindi, deve anche avere una struttura "atomica". Questa ipotesi ha reso possibile a metà degli anni '90 di combinare i principi della Teoria della Relatività Generale con la fisica quantistica e creare la geometria quantistica. Proprio come la geometria continua fornisce il linguaggio matematico per formulare la teoria della relatività generale,quindi la geometria quantistica fornisce uno strumento matematico e genera nuovi concetti fisici per descrivere i tempi cosmici quantistici.
Nella geometria quantistica, le eccitazioni geometriche fondamentali, chiuse in un anello, che sono unidimensionali, sono primarie. Il tessuto ordinario sembra essere un continuo bidimensionale liscio, ma si basa su fili unidimensionali. Un'ipotesi simile può essere fatta rispetto a un continuum dimensionale superiore. A un livello puramente intuitivo, si possono pensare alle eccitazioni geometriche fondamentali come fili quantistici che possono essere intrecciati per creare il tessuto stesso dello spaziotempo. Cosa succede quando siamo vicini alla singolarità spazio-temporale. È chiaro che in quest'area il concetto stesso di continuum spazio-temporale semplicemente non è applicabile. Le fluttuazioni quantistiche in quest'area sono così enormi che i fili quantistici semplicemente non possono essere "congelati" nel continuum spazio-temporale. Il tessuto dello spazio-tempo è lacerato. La fisica del continuum spazio-temporale è “fissata” sui resti del tessuto spazio-temporale. Allo stesso tempo, diventa chiaro che i fili stessi, che costituiscono la base del tessuto dell'universo, acquisiscono un significato speciale. Usando l'equazione quantistica di Einstein, si può ancora studiare la fisica, descrivere i processi che avvengono nel mondo quantistico. Ma qui c'è un punto importante. Il punto è che in assenza di un continuum spazio-temporale, molti dei concetti comunemente usati in fisica diventano semplicemente errati. Occorre introdurre nuovi concetti che sostituiscano o integrino quelli scartati, e questo richiede una nuova intuizione fisica. E in condizioni così drammatiche, il percorso è aperto alle equazioni quantistiche di Einstein. La fisica del continuum spazio-temporale è “fissata” sui resti del tessuto spazio-temporale. Allo stesso tempo, diventa chiaro che i fili stessi, che costituiscono la base del tessuto dell'universo, acquisiscono un significato speciale. Usando l'equazione quantistica di Einstein, si può ancora studiare la fisica, descrivere i processi che avvengono nel mondo quantistico. Ma qui c'è un punto importante. Il fatto è che in assenza di un continuum spazio-temporale, molti dei concetti comunemente usati in fisica diventano semplicemente errati. Occorre introdurre nuovi concetti che sostituiscano o integrino quelli scartati, e questo richiede una nuova intuizione fisica. E in condizioni così drammatiche, la strada è aperta alle equazioni quantistiche di Einstein. La fisica del continuum spazio-temporale è “fissata” sui resti del tessuto spazio-temporale. Allo stesso tempo, diventa chiaro che i fili stessi, che costituiscono la base del tessuto dell'universo, acquisiscono un significato speciale. Usando l'equazione quantistica di Einstein, si può ancora studiare la fisica, descrivere i processi che avvengono nel mondo quantistico. Ma qui c'è un punto importante. Il punto è che in assenza di un continuum spazio-temporale, molti dei concetti comunemente usati in fisica diventano semplicemente errati. Occorre introdurre nuovi concetti che sostituiscano o integrino quelli scartati, e questo richiede una nuova intuizione fisica. E in condizioni così drammatiche, il percorso è aperto alle equazioni quantistiche di Einstein.assumono un significato speciale. Usando l'equazione quantistica di Einstein, si può ancora studiare la fisica, descrivere i processi che avvengono nel mondo quantistico. Ma qui c'è un punto importante. Il punto è che in assenza di un continuum spazio-temporale, molti dei concetti comunemente usati in fisica diventano semplicemente errati. Occorre introdurre nuovi concetti che sostituiscano o integrino quelli scartati, e questo richiede una nuova intuizione fisica. E in condizioni così drammatiche, la strada è aperta alle equazioni quantistiche di Einstein.assumono un significato speciale. Usando l'equazione quantistica di Einstein, si può ancora studiare la fisica, descrivere i processi che avvengono nel mondo quantistico. Ma qui c'è un punto importante. Il punto è che in assenza di un continuum spazio-temporale, molti dei concetti comunemente usati in fisica diventano semplicemente errati. Occorre introdurre nuovi concetti che sostituiscano o integrino quelli scartati, e questo richiede una nuova intuizione fisica. E in condizioni così drammatiche, il percorso è aperto alle equazioni quantistiche di Einstein. Occorre introdurre nuovi concetti che sostituiscano o integrino quelli scartati, e questo richiede una nuova intuizione fisica. E in condizioni così drammatiche, il percorso è aperto alle equazioni quantistiche di Einstein. Occorre introdurre nuovi concetti che sostituiscano o integrino quelli scartati, e questo richiede una nuova intuizione fisica. E in condizioni così drammatiche, il percorso è aperto alle equazioni quantistiche di Einstein.
Sulla base di queste equazioni, è stato possibile chiarire alcuni dettagli del Big Bang. Si è scoperto che le equazioni differenziali di Einstein scritte per il continuo spazio-temporale devono essere sostituite da equazioni differenziali scritte nel linguaggio della struttura discreta della geometria quantistica. Il problema è che le equazioni di Einstein standard, che descrivono perfettamente lo spaziotempo classico, smettono completamente di funzionare quando ci si avvicina al Big Bang, quando la densità della materia si avvicina alla densità di Planck di 1094 g / cm3 in ordine di grandezza. Nella geometria quantistica, la curvatura dello spazio-tempo nel regime di Planck diventa molto grande, ma finita. Sorprendentemente, gli effetti della geometria quantistica generano una nuova forza repulsiva così grandeche vince facilmente la forza di gravità. La teoria della relatività generale smette di funzionare. L'universo si sta espandendo. Le equazioni quantistiche di Einstein consentono di sviluppare la geometria quantistica e costruire una descrizione corretta della materia nel regime di Planck, che non lascia spazio a un concetto non fisico come una singolarità. Il Big Bang è sostituito da un potente shock quantistico.
Un calcolo numerico del processo nel caso isotropo spazialmente omogeneo è stato effettuato sulla base delle equazioni quantistiche di Einstein. Il continuum spazio-temporale è stato calcolato al di fuori del regime di Planck e dall'altra parte del Big Bang. Sul cosiddetto ramo dell'esplosione “pre-grande”. Si è scoperto che questo continuum in contrazione è ben descritto anche dalla Teoria della Relatività Generale. Tuttavia, quando la densità della materia diventa uguale a 0,8 della densità di Planck, la forza repulsiva generata dalla geometria quantistica, che prima era insignificante, diventa dominante. E invece di collassare in un punto, l'Universo sta subendo un forte impatto quantistico, trasformando il processo in un ramo in espansione del "post-big", in cui ora viviamo. La teoria della relatività generale classica descrive molto bene entrambi i rami, tranne quando
La comparsa di una forza repulsiva di natura quantistica al momento di un impatto quantistico ha un'interessante analogia con la comparsa di una forza repulsiva nel processo di morte di una stella. Nel caso in cui la forza repulsiva inizi a prevalere su quella gravitazionale, quando il nucleo della stella raggiunge una densità critica di 6x1016 g / cm3, può impedire alla stella di collassare in un buco nero e trasformarla in una stella di neutroni stabile. Questa forza repulsiva è generata dal principio di esclusione di Pauli ed è direttamente correlata alla natura quantistica del processo in atto. Tuttavia, se la massa della stella morente risulta essere maggiore di 5 volte la massa del Sole, la gravità vince questa forza e la stella collassa in un buco nero. Sorge una singolarità. La forza repulsiva generata dalla geometria quantistica entra in gioco a densità di materia più elevate,ma allo stesso tempo supera la compressione gravitazionale, non importa quanto fosse massiccio il corpo in collasso. In effetti, questo corpo può essere l'intero universo! Il fascino della gravità del ciclo quantistico è che, prevedendo questo effetto, impedisce la formazione di singolarità nel mondo reale estendendo la "vita" del nostro spaziotempo attraverso un ponte quantistico.
Grazie a Einstein, nel XX secolo, la comprensione dello spazio e del tempo ha subito una revisione radicale. La geometria del continuum spazio-temporale è diventata fisica come la materia prima. Questa comprensione ha aperto nuove prospettive in cosmologia e astronomia. Ma nel nostro secolo non meno drammatici cambiamenti ci attendono nella comprensione dello spazio-tempo. Grazie alla geometria quantistica, il Big Bang ei buchi neri per la fisica non sono più circondati da confini di inaccessibilità. Lo spaziotempo quantistico fisico è molto più grande della Relatività Generale. L'esistenza di una connessione tra queste teorie ci permette di parlare della consistenza della gravità del ciclo quantistico. Questa coerenza ci permette di trarre conclusioni abbastanza precise sulla fisica dell'origine del nostro Universo e sulla fisica dei buchi neri. Potrebbero sorgere possibilità ancora più eccitanti come risultato dell'ulteriore sviluppo di questa teoria.
