Quando la luce bianca passa attraverso un prisma, l'arcobaleno all'altra estremità mostra una ricca tavolozza di colori. I teorici della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia hanno dimostrato che i modelli dell'Universo che utilizzano una qualsiasi teoria quantistica della gravità dovrebbero anche avere una sorta di "arcobaleno", costituito da diverse versioni dello spazio-tempo. Questo meccanismo prevede che invece di un unico e comune spaziotempo, particelle di energie diverse dovrebbero sperimentare versioni leggermente alterate di esso.
Probabilmente abbiamo visto tutti l'esperimento: quando la luce bianca passa attraverso un prisma, decade per formare un arcobaleno. Questo perché la luce bianca è una miscela di fotoni di energie diverse, e maggiore è l'energia del fotone, più viene deviata dal prisma. Quindi, possiamo dire che l'arcobaleno sorge perché i fotoni di energie diverse percepiscono lo stesso prisma come avente proprietà diverse. Per molti anni, gli scienziati hanno sospettato che particelle di energie diverse nei modelli dell'universo quantistico percepissero essenzialmente diverse strutture dello spaziotempo.
I fisici di Varsavia hanno utilizzato un modello cosmologico contenente solo due componenti: la gravità e un tipo di materia. Nell'ambito della relatività generale, il campo gravitazionale è descritto dalle deformazioni dello spazio-tempo, mentre la materia è rappresentata da un campo scalare (il tipo più semplice di campo in cui un solo valore è inerente a ogni punto nello spazio).
“Ci sono molte teorie concorrenti sulla gravità quantistica oggi. Pertanto, abbiamo formulato il nostro modello nei termini più generali in modo che possa essere applicato a ciascuno di essi. Qualcuno potrebbe supporre che un tipo di campo gravitazionale - che in pratica significa spaziotempo - suggerito da una teoria quantistica, un altro potrebbe suggerirne un altro. Alcuni operatori matematici nel modello cambieranno, ma non la natura dei fenomeni che si verificano in essi”, afferma Andrea Dapor, uno studente laureato all'Università di Varsavia.
“Questo risultato è sorprendente. Iniziamo con il mondo sfocato della geometria quantistica, dove è persino difficile dire cos'è il tempo e cos'è lo spazio, ma i fenomeni che si verificano nel nostro modello cosmologico sembrano accadere nello spazio-tempo ordinario , dice un altro studente laureato Mehdi Assaniussi.
Le cose sono diventate ancora più interessanti quando i fisici hanno esaminato le eccitazioni del campo scalare che sono state interpretate come particelle. I calcoli hanno dimostrato che in questo modello, le particelle che differiscono in termini di energia interagiscono con lo spazio-tempo quantistico in un modo diverso, proprio come i fotoni con energie diverse interagiscono in modo diverso con un prisma. Ciò significa che anche la struttura effettiva dello spazio-tempo classico è percepita in modo diverso dalle singole particelle, a seconda della loro energia.
L'aspetto di un normale arcobaleno può essere descritto in termini di indice di rifrazione, la cui ampiezza dipende dalla lunghezza d'onda della luce. Nel caso di un simile arcobaleno di spazio-tempo, viene proposta una relazione simile: la funzione beta, una misura del grado di differenza nella percezione dello spazio-tempo classico da parte di particelle diverse. Questa funzione riflette il grado di non classicità dello spazio-tempo quantistico: in condizioni prossime a quella classica tende a zero, mentre in condizioni veramente quantistiche tende all'unità. Ora l'Universo si trova in uno stato classico, quindi il valore beta è vicino a zero, i fisici stimano che non superi 0,01. Un valore così piccolo della funzione beta significa che l'arcobaleno dello spaziotempo è attualmente molto stretto e non può essere rilevato sperimentalmente.
Uno studio condotto da fisici teorici dell'Università di Varsavia, finanziato da sovvenzioni del National Science Center of Poland, ha portato a un'altra conclusione interessante. L'arcobaleno dello spaziotempo è il risultato della gravità quantistica. I fisici generalmente concordano sul fatto che gli effetti di un tale piano saranno visibili solo a energie gigantesche vicine all'energia di Planck, milioni o miliardi di volte superiori all'energia delle particelle a cui il Large Hadron Collider sta ora accelerando. Tuttavia, il valore della funzione beta dipende dal tempo e nei momenti vicini al Big Bang potrebbe essere molto più alto. Quando la beta si avvicina allo zero, l'arcobaleno spazio-temporale aumenta in modo significativo. Di conseguenza, in tali condizioni, l'effetto arcobaleno della gravità quantistica può essere potenzialmente osservato anche a energie delle particelle che sono centinaia di volte inferiori,rispetto all'energia dei protoni nel moderno LHC.
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