L’Universo,dovelospazio-tempodiventadiscreto

Relativitàemeccanicaquantistica:unconnubionon-locale?22aprile2016Neglistudidigravitàquantistica,fisicaclassicaemeccanicaquantisticafannoapugni:gliscienziatinonsannobeneancoracomeconciliarela“granularità”quantisticadellospazio-tempoallaScaladiPlanckconlateoriadellarelativitàristretta.Nellaricercadipossibilitestdellafisicaassociataaquestodifficileconnubio,loscenariopiùstudiatofinoadoraèstatoquellocheimplicaviolazioniall’”InvarianzadiLorentz”,ilprincipioallabasedellarelativitàristretta.Lastradaperòpotrebbeessereun’altra:salvarelarelativitàristrettaconciliandolaconlagranulositàintroducendodeviazioniapiccolescaledalprincipiodilocalità.UnrecentestudioteoricoappenapubblicatosuPhysicalReviewLettersecoordinatodallaScuolaInternazionaleSuperiorediStudiAvanzati(SISSA)diTriesteanalizzapropriounmodellodiquestotipodimostrandochepuòesseretestatosperimentalmentecongrandeprecisione.Ilteamstagiàcollaborandoallarealizzazionediunesperimento,chesisvolgeràalLENS(EuropeanLaboratoryforNon-linearSpectroscopy)diFirenze,(alcunimembridelqualehannoanchecollaboratoallostudioteorico)Lanostraesperienzadellospazio-tempoèquelladiunoggettocontinuo,senzavuotiediscontinuità,propriocomelodescrivelafisicaclassica.Peralcunimodellidigravitàquantistica,latramadellospazio-tempoèinvece“granulosa”apiccolissimescale(sottolacosiddetta“scaladiPlanck”,10-33cm),comesesitrattassediunmutevolereticolocaratterizzatodapienievuoti(odi

unacomplessaschiuma).Unodeigrandiproblemidellafisicadioggièpropriocapirecomesipassadalregimecontinuoaquellodiscreto,manmanocheledimensionisiriducono:c’èunsaltobruscoounatransizionegraduale,edoveavvieneilcambiamento?Loscollamentofraunmondoel’altrocreadifficoltàaifisici:peresempio,com’èpossibiledescriverelagravità,cosibenspiegatadallafisicaclassica,secondolameccanicaquantistica?Quellodellagravitàquantisticaèinfattiuncampodistudidovenonancoraesistonoteoriesedimentateecondivise.Esistonoperòdegli“scenari”,cheoffronopossibiliinterpretazionidellagravitàquantisticasottoposteavincoli(constraint)didiversanaturacheaspettanodiricevereconfermeosmentite,nonsemprepossibilidaottenere.Unodeiproblemidarisolvereinquestosensoècheselospazio-tempo,sottounacertadimensione,ègranularesignificacheesisteuna“scalabasilare”,un’unitàfondamentalesottoallaqualenonsipuòscendere.Questaipotesicozzaperòconlateoriadellarelativitàristretta,formulatadaEinstein,chedescrive,secondolafisicaclassica,ilnostroUniversoproprioallealteenergie.Immaginiamodiavereunrighelloinmano,secondolarelativitàristretta,unosservatorecheciguardamentresimuoveconunmotorettilineoavelocitàcostante(prossimaaquelladellaluce)vedrebbeilrighellopiùcortodicomelovediamonoi.Macosasuccedeseilrighelloèlungoquantolascalafondamentale?Perlarelativitàristrettasarebbecomunque,perl’altroosservatore,piùcortodiquestaunitàdimisura.Èchiaroquindichelarelativitàristrettaèincompatibileconl’introduzionediunagranabasilaredell’Universo.Ipotizzarel’esistenzadiquestascalabase,diconoifisici,significaviolarel’InvarianzadiLorentz,unprincipiofondantedellarelativitàspeciale.Comesifaalloraasalvarecapraecavoli?Osiipotizzanodelleviolazionidell’InvarianzadiLorentz,condeivincolimoltoprecisi(equestafinoraèstatalastradapreferita),ositrovaunmododievitareleviolazioni,trovandounoscenariocompatibilesiaconlagranularitàcheconlarelativitàristretta.Questoscenarioineffettièrealizzatodaalcunimodellidigravitàquantistica,comelaStringFieldTheoryolaCausalSetTheory.Ilproblemaapertoeraperòcometestarnesperimentalmentelepredizionidatocheglieffettidiquesteteoriesonomoltomenoevidentidiquellidimodellicheviolanolarelativitàspeciale.UnasoluzioneaquestaimpasseèorastatapropostadaStefanoLiberati,professoredellaSISSA,ecolleghinelloroultimolavoro.NellostudiohannopartecipatoanchericercatoridelLENS(FrancescoMarineFrancescoMarino)diFirenzeedell’INFNdiPadova(AntonelloOrtolan).PerlaSISSA,oltreaLiberati,hannocollaboratoanchelostudentediPhDAlessioBelenchiaeilpostdocDionigiBenincasa.LostudioèstatofinanziatoanchedaungrantdellaJohnTempletonFoundation.“Rispettiamol’InvarianzadiLorentz,sì,matuttohaunprezzo,cheinquestocasopaghiamoconl’introduzionedieffettinon-locali”,commentaLiberati.LoscenariostudiatodaLiberatiecolleghiinfattisalvalarelativitàristrettamaintroducelapossibilitàchelafisicainuncertopuntodellospazio-tempopossaessereinfluenzatanonsolodaciòcheaccadenellevicinanzediquelpunto,maancheinpuntimoltolontani.“Naturalmentenonsiviolalacausalità,enonsipresuppongono

informazionicheviaggianopiùvelocedellaluce”,puntualizzaloscienziato.“Siintroduceperòlanecessitàdiconoscerelastrutturaglobalepersaperecosaaccadenellocale”.DallateoriaaifattiC’èun'altracosacherendeilmodellodiLiberatiecolleghiquasiunico,ecertamentemoltoprezioso:èformulatoinmododapoteresseretestatosperimentalmente.“PersviluppareilnostroragionamentoabbiamocollaboratogomitoagomitoconifisicisperimentalidelLENSdiFirenze.Stiamoinfattigiàlavorandoallamessaapuntodegliesperimenti”.ConquestemisurazioniLiberatiecolleghipotrebberoindividuareilconfine,ol’intervalloditransizione,dovelospaziotempocontinuodiventagranulareelafisicanon-locale.“AlLENSsistaoracostruendounoscillatorearmonicoquantistico:unchipdisiliciodipochimicrogrammicheportatoatemperaturevicineallozeroassolutovieneilluminatodaunlaseredentrainoscillazionearmonica”spiegaancoraLiberati.“Ilnostromodelloteoricoprevedeinfattilapossibilitàditestareglieffettinonlocalisuoggettiquantisticiconmassanontrascurabile”.Unpuntonondipocaimportanza:unoscenarioteoricochespiegaglieffettiquantisticisenzaviolarelarelativitàristretta,implicaanchechequestieffettiallenostrescaledevonoperforzaesseremoltopiccoli(altrimentiliavremmogiàosservati,equestononèilcaso).“Perpoterlitestarelidobbiamopotereosservareinqualchemodo.Secondoilnostromodelloèpossibilevederliproprioinoggetti‚allimite’:quantisticisì,madiunadimensionedovesiaancoraimportantelamassa,ossiala‚carica’associataallagravità(comelacaricaelettricaèassociataalcampoelettrico).”.“Sullabasedelmodelloproposto,abbiamoformulatodelleprevisionisulmodoincuiilsistemaoscillerà”,raccontaancoraLiberati.“Dueprevisioni,perlaprecisione:unafunzionechedescriveilsistemainassenzadeglieffettinon-localieunafunzioneincuisonopresenti”.Ilmodelloèparticolarmenterobustopoiché,comespiegaLiberati,ladifferenzanell’andamentodescrittoneiduecasinonpuòesseregeneratadainfluenzeambientalisull’oscillatore.“Sitrattadunquediunasituazione‘WIN-WIN’:senonvediamol’effettopossiamospostarepiùinaltol’asticelladelleenergiedovecercarelatransizione.Soprattutto,gliesperimentigiàinpreparazionedovrebberoesserecapacidispingereivincolisullascaladinon-localitàfinoallascaladiPlanck.Inquestocasopotremmoarrivareaescluderequestiscenariconnon-località.Egiàquestosarebbeunbelrisultato,poichédaremmounabellasfoltitaallagiungladegliscenariteorici”,concludeLiberati.“Seinveceosservassimol’effetto,behalloraconfermeremmolapresenzadeglieffettinon-locali,salvandolarelativitàristrettaeaprendoleporteatuttaunanuovafisica.”LINKUTILI:

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IMMAGINI:

• Dispositivo oscillatore armonico - Credits: LENS. Firenze/ SEM, Trento (tratta da:

http://goo.gl/000LYn)

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