Le persone danno sempre lo spazio per scontato. Dopotutto, è solo un vuoto, un contenitore per tutto il resto. Anche il tempo scorre continuamente. Ma i fisici sono queste persone, hanno sempre bisogno di complicare qualcosa. Cercando regolarmente di unificare le loro teorie, hanno scoperto che lo spazio e il tempo si fondono in un sistema così complesso che una persona comune non può capire.
Albert Einstein si rese conto di cosa ci aspettava nel novembre del 1916. Un anno prima aveva formulato la teoria generale della relatività, secondo la quale la gravità non è una forza che si propaga nello spazio, ma una proprietà dello spazio-tempo stesso. Quando lanci la palla in aria, vola in un arco e ritorna a terra, perché la Terra piega lo spazio-tempo attorno ad essa, quindi i percorsi della palla e il terreno si intersecheranno di nuovo. In una lettera a un amico, Einstein ha discusso il problema della fusione della relatività generale con il suo altro frutto, la nascente teoria della meccanica quantistica. Ma le sue abilità matematiche semplicemente non erano sufficienti. "Come mi sono torturato con questo!", Ha scritto.
Einstein non è mai arrivato da nessuna parte in questo senso. Ancora oggi, l'idea di creare una teoria quantistica della gravità sembra estremamente lontana. Le controversie nascondono una verità importante: tutti gli approcci competitivi come si dice che lo spazio sta nascendo da qualche parte più in profondità - e questa idea rompe la comprensione scientifica e filosofica che è stata stabilita per 2500 anni.
Giù nel buco nero
Un normale magnete da frigo illustra perfettamente il problema affrontato dai fisici. Può appuntare un pezzo di carta e resistere alla gravità dell'intera Terra. La gravità è più debole del magnetismo o di altre forze elettriche o nucleari. Quali che siano gli effetti quantistici alla base, saranno più deboli. L'unica prova tangibile che questi processi abbiano luogo è il quadro eterogeneo della materia nel primo universo, che si ritiene sia stato disegnato dalle fluttuazioni quantistiche nel campo gravitazionale.
I buchi neri sono il modo migliore per testare la gravità quantistica. "Questa è la cosa più appropriata con cui sperimentare", afferma Ted Jacobson dell'Università del Maryland, College Park. Lui e altri teorici studiano i buchi neri come perni teorici. Cosa succede quando prendi equazioni che funzionano perfettamente in un ambiente di laboratorio e le metti nelle situazioni più estreme immaginabili? Ci saranno dei difetti sottili?
La teoria generale prevede relativamente che la materia che cade in un buco nero si contrarrà all'infinito man mano che si avvicina al suo centro, un vicolo cieco matematico chiamato singolarità. I teorici non possono immaginare la traiettoria di un oggetto oltre la singolarità; tutte le linee convergono in esso. Anche parlarne come di un luogo è problematico, perché lo spazio-tempo stesso, che determina l'ubicazione della singolarità, cessa di esistere. Gli scienziati sperano che la teoria quantistica possa fornirci un microscopio che ci permetterà di esaminare questo punto infinitesimale di densità infinita e capire cosa succede alla materia che vi cade.
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Ai margini di un buco nero, la materia non è ancora così compressa, la gravità è più debole e, per quanto ne sappiamo, tutte le leggi della fisica dovrebbero funzionare. Ed è tanto più scoraggiante che non funzionino. Il buco nero è delimitato dall'orizzonte degli eventi, il punto di non ritorno: la materia che attraversa l'orizzonte degli eventi non tornerà. La discesa è irreversibile. Questo è un problema perché tutte le leggi note della fisica fondamentale, comprese quelle della meccanica quantistica, sono reversibili. Almeno in linea di principio, in teoria, dovresti essere in grado di invertire il movimento e ripristinare tutte le particelle che avevi.
I fisici hanno affrontato un enigma simile alla fine del 1800 quando hanno esaminato la matematica di un "corpo nero", idealizzato come una cavità piena di radiazioni elettromagnetiche. La teoria dell'elettromagnetismo di James Clerk Maxwell prevedeva che un tale oggetto avrebbe assorbito tutta la radiazione che cade su di esso e non sarebbe mai entrato in equilibrio con la materia circostante. "Può assorbire una quantità infinita di calore da un serbatoio mantenuto a una temperatura costante", spiega Raphael Sorkin del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario. Da un punto di vista termico avrà una temperatura di zero assoluto. Questa conclusione contraddice le osservazioni dei veri corpi neri (come la fornace). Continuando a lavorare sulla teoria di Max Planck, Einstein ha dimostrato che un corpo nero può raggiungere l'equilibrio termico,se l'energia della radiazione verrà in unità discrete, o quanti.
I fisici teorici hanno cercato per quasi mezzo secolo di ottenere una soluzione simile per i buchi neri. Il compianto Stephen Hawking dell'Università di Cambridge ha compiuto un passo importante nella metà degli anni '70 applicando la teoria quantistica al campo di radiazione attorno ai buchi neri e dimostrando che hanno temperature diverse da zero. Pertanto, non solo possono assorbire ma anche emettere energia. Sebbene la sua analisi abbia avvitato i buchi neri nel regno della termodinamica, ha anche esacerbato il problema dell'irreversibilità. La radiazione in uscita viene emessa ai margini del buco nero e non trasporta informazioni dall'interno. Questa è energia termica casuale. Se inverti il processo e inserisci questa energia in un buco nero, non viene fuori nulla: ottieni ancora più calore. Ed è impossibile immaginare che sia rimasto qualcosa nel buco nero, solo intrappolato, perché quando il buco nero emette radiazioni, si contrae e,secondo l'analisi di Hawking, alla fine scompare.
Questo problema è chiamato paradosso dell'informazione, perché il buco nero distrugge le informazioni sulle particelle che vi sono cadute, che potresti provare a recuperare. Se la fisica dei buchi neri è veramente irreversibile, qualcosa deve riportare indietro le informazioni e il nostro concetto di spaziotempo potrebbe dover essere modificato per accogliere questo fatto.
Atomi spazio-temporali
Il calore è il movimento casuale di particelle microscopiche come le molecole di gas. Poiché i buchi neri possono riscaldarsi e raffreddarsi, sarebbe ragionevole presumere che siano costituiti da parti o, più in generale, da una struttura microscopica. E poiché un buco nero è solo uno spazio vuoto (secondo la relatività generale, la materia che cade in un buco nero passa attraverso l'orizzonte degli eventi senza fermarsi), parti di un buco nero devono essere parti dello spazio stesso. E sotto l'ingannevole semplicità dello spazio piatto e vuoto, c'è un'enorme complessità.
Anche le teorie che avrebbero dovuto mantenere la visione tradizionale dello spaziotempo sono giunte alla conclusione che qualcosa si nasconde sotto questa superficie liscia. Ad esempio, alla fine degli anni '70, Steven Weinberg, ora all'Università del Texas ad Austin, cercò di descrivere la gravità nello stesso modo in cui la descrivono le altre forze della natura. E ho scoperto che lo spazio-tempo è stato radicalmente modificato nella sua scala più piccola.
I fisici originariamente hanno visualizzato lo spazio microscopico come un mosaico di piccoli pezzi di spazio. Se li aumenti alla scala di Planck, di dimensioni incommensurabilmente piccole di 10-35 metri, gli scienziati credono che tu possa vedere qualcosa come una scacchiera. O forse no. Da un lato, una tale rete di linee dello spazio degli scacchi preferirà una direzione all'altra, creando asimmetrie che contraddicono la teoria della relatività speciale. Ad esempio, la luce di diversi colori si muoverà a velocità diverse, come in un prisma di vetro che rompe la luce nei suoi colori costituenti. E sebbene le manifestazioni su piccola scala saranno molto difficili da notare, le violazioni della relatività generale saranno francamente ovvie.
La termodinamica dei buchi neri chiama in causa l'immagine dello spazio come un semplice mosaico. Misurando il comportamento termico di qualsiasi sistema, è possibile contarne le parti, almeno in linea di principio. Rilascia l'energia e guarda il termometro. Se la colonna è decollata, l'energia dovrebbe essere distribuita a relativamente poche molecole. In effetti, stai misurando l'entropia di un sistema, che rappresenta la sua complessità microscopica.
Se lo fai con una sostanza ordinaria, il numero di molecole aumenta con il volume del materiale. Quindi, comunque, dovrebbe essere: se aumenti il raggio di un pallone da spiaggia di 10 volte, si adatterà 1000 volte più molecole al suo interno. Ma se aumenti il raggio di un buco nero 10 volte, il numero di molecole in esso si moltiplicherà solo 100 volte. Il numero di molecole di cui è composto dovrebbe essere proporzionale non al suo volume, ma alla superficie. Un buco nero può sembrare tridimensionale, ma si comporta come un oggetto bidimensionale.
Questo strano effetto è chiamato principio olografico, perché assomiglia a un ologramma, che vediamo come un oggetto tridimensionale, ma a un esame più attento risulta essere un'immagine prodotta da una pellicola bidimensionale. Se il principio olografico tiene conto delle componenti microscopiche dello spazio e dei suoi contenuti - che i fisici ammettono, anche se non tutti - non sarà sufficiente creare lo spazio semplicemente collegando i pezzi più piccoli di esso.
Rete aggrovigliata
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno capito che deve essere coinvolto l'entanglement quantistico. Questa proprietà profonda della meccanica quantistica, un tipo di connessione estremamente potente, sembra molto più primitiva dello spazio. Ad esempio, gli sperimentatori possono creare due particelle che volano in direzioni opposte. Se rimangono impigliati, rimarranno collegati indipendentemente dalla distanza che li separa.
Tradizionalmente, quando le persone parlavano di gravità "quantistica", intendevano la discrezione quantistica, le fluttuazioni quantistiche e tutti gli altri effetti quantistici - non l'entanglement quantistico. Tutto è cambiato grazie ai buchi neri. Durante la vita di un buco nero, le particelle intrappolate entrano in esso, ma quando il buco nero evapora completamente, i partner al di fuori del buco nero rimangono intrappolati - senza nulla. "Hawking avrebbe dovuto definirlo un problema di entanglement", afferma Samir Mathur della Ohio State University.
Anche nel vuoto, dove non ci sono particelle, i campi elettromagnetici e altri sono intrappolati internamente. Se misuri il campo in due posizioni diverse, le tue letture fluttueranno leggermente, ma rimarranno coordinate. Se dividi l'area in due parti, queste parti saranno in correlazione e il grado di correlazione dipenderà dalla proprietà geometrica che hanno: l'area dell'interfaccia. Nel 1995, Jacobson ha affermato che l'entanglement fornisce un collegamento tra la presenza della materia e la geometria dello spazio-tempo, il che significa che potrebbe spiegare la legge di gravità. "Più entanglement significa meno gravità", ha detto.
Alcuni approcci alla gravità quantistica, in particolare la teoria delle stringhe, vedono l'entanglement come una pietra angolare importante. La teoria delle stringhe applica il principio olografico non solo ai buchi neri, ma all'universo nel suo insieme, fornendo una ricetta per creare lo spazio - o almeno una parte di esso. Lo spazio bidimensionale originale servirà da confine di uno spazio volumetrico più ampio. E l'entanglement legherà lo spazio volumetrico in un tutto unico e continuo.
Nel 2009, Mark Van Raamsdonk dell'Università della British Columbia ha fornito un'elegante spiegazione per questo processo. Supponiamo che i campi al confine non siano intrecciati: formano una coppia di sistemi fuori correlazione. Corrispondono a due universi separati, tra i quali non c'è modo di comunicazione. Quando i sistemi si aggrovigliano, si forma una specie di tunnel, un wormhole, tra questi universi e le astronavi possono spostarsi tra di loro. Maggiore è il grado di entanglement, minore è la lunghezza del wormhole. Gli universi si fondono in uno e non sono più due separati. "L'avvento del grande spaziotempo collega direttamente l'entanglement con questi gradi di libertà della teoria dei campi", afferma Van Raamsdonck. Quando vediamo correlazioni in campi elettromagnetici e altri, sono il residuo della coesione che lega insieme lo spazio.
Molte altre caratteristiche dello spazio, oltre ad essere connesse, possono anche riflettere l'entanglement. Van Raamsdonk e Brian Swingle dell'Università del Maryland sostengono che l'onnipresenza dell'entanglement spiega l'universalità della gravità, che colpisce tutti gli oggetti e permea ovunque. Per i buchi neri, Leonard Susskind e Juan Maldacena credono che l'intreccio tra il buco nero e la radiazione che emette crei un wormhole, l'ingresso nero del buco nero. Pertanto, le informazioni vengono preservate e la fisica di un buco nero è irreversibile.
Mentre queste idee sulla teoria delle stringhe funzionano solo per geometrie specifiche e ricostruiscono solo una dimensione dello spazio, alcuni scienziati hanno cercato di spiegare lo spazio da zero.
In fisica, e in generale, nelle scienze naturali, lo spazio e il tempo sono alla base di tutte le teorie. Ma non notiamo mai direttamente lo spazio-tempo. Piuttosto, deduciamo la sua esistenza dalla nostra esperienza quotidiana. Partiamo dal presupposto che la spiegazione più logica per i fenomeni che vediamo sarà un meccanismo che funziona nello spazio-tempo. Ma la gravità quantistica ci dice che non tutti i fenomeni si adattano perfettamente a una tale immagine del mondo. I fisici devono capire ciò che è ancora più profondo, i dettagli dello spazio, il retro di uno specchio liscio. Se avranno successo, porremo fine alla rivoluzione che Einstein iniziò oltre un secolo fa.
Ilya Khel
