Cosa sappiamo sulla schiuma spazio-temporale

C’è una domanda che tormenta i fisici dal 1917: di che cosa è fatto l’universo? A complicare questa domanda c’è il fatto che tutte le teorie che produciamo sono in netto conflitto con ciò che osserviamo dell’universo. Albert Einstein, leggenda vuole, si sentiva molto in colpa per aver fatto notare al mondo il problema, tant’è che lo definiva “il suo più grande errore.”

In poche parole, la teoria di Einstein sulla relatività generale non reggeva quando usata per descrivere l’universo come intero. La relatività generale descrive la “geometria” dello spaziotempo come una superficie simile a un tappeto elastico; i pianeti sono palle da bowling che distorcono la tela, creando delle curve. Se una palla leggera (tipo una biglia) è posizionata in prossimità di una palla pesante, finisce per rotolarle intorno come fa un satellite con un pianeta. Dunque, le orbite non sono spiegate dalla “forza” di gravità, ma dalla curvatura dello spaziotempo.

Questa ipotesi ha funzionato finché si consideravano piccole regioni dello spaziotempo, ma quando Einstein l’ha applicata all’intero universo, le predizioni non tornavano. Così lo scienziato ha introdotto la “costante cosmologica,” un valore fisso che rappresenta un tipo di anti-gravità, anti-massa e anti-energia, che controbilancia gli effetti della gravità. Ma quando gli scienziati hanno scoperto che l’universo si stava espandendo anziché essere statico, come pensava Einstein, la costante cosmologica è stata portata a zero e più o meno ignorata. Quando abbiamo imparato che l’universo si sta espandendo a velocità crescente, però, gli scienziati non hanno più potuto cancellare l’idea di Einstein di una forma di energia anti-gravità.

Ciò che prima si pensava essere spazio vuoto nell’universo, ora doveva essere riempito con un’enorme quantità di misteriosa anti-energia per poter spiegare le osservazioni dell’espansione accelerata dell’universo. Anche così, le osservazioni suggeriscono che l’energia sia dai 60 ai 120 ordini di magnitudine più bassa di quanto predicano le recenti teorie di fisica quantistica. Il che significa che, se guardiamo all’universo come intero, manca ancora una fetta consistente di questa energia extra; o si sta nascondendo molto bene, o ha una natura completamente diversa dall’energia che conosciamo.

Oggi, chi studia fisica teorica cerca di riconciliare questi misteri esaminando la struttura del cosiddetto “spaziotempo” nell’universo alla scala più piccola possibile, con risultati strabilianti: lo spaziotempo potrebbe infatti non essere il tappeto elastico che ci siamo immaginati finora—ma una schiuma piena di bollicine, ognuna delle quali conterrebbe un mini-universo che vive e muore dentro al nostro.

Indizi per una schiuma dello spazio-tempo

Per la prima volta c’è stata nel 2017 una parziale conferma all’ipotesi secondo cui alle piccole scale la superficie dello spazio-tempo non sarebbe liscia, ma invece sarebbe più simile a una schiuma. Il risultato, ottenuto da ricercatori italiani, è frutto dell’analisi dei dati relativi a fotoni e neutrini registrati con il telescopio spaziale Fermi della NASA e IceCube, osservatorio per neutrini al Polo Sud.

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Illustrazione del telescopio spaziale Fermi in orbita (Credit: NASA)

Una delle più significative acquisizioni concettuali della teoria generale della relatività di Albert Einstein è l’idea che le tre dimensioni spaziali e la dimensione temporale rappresentano un tutt’uno: lo spazio-tempo. Grazie a questo, è possibile avere una nuova idea della gravità: lo spazio-tempo è come un tessuto che viene deformato dalla presenza delle masse, che proprio per effetto di questa deformazione, si attirano tra loro.

Un studio pubblicato su “Nature Astronomy” da ricercatori italiani ha dimostrato che per la prima volta alcuni risultati sperimentali sono in buon accordo con la teoria secondo cui il tessuto dello spazio-tempo ha non liscia ma schiumosa. Finora questa idea dello spazio-tempo assimilabile a una schiuma, declinata in sue varie versioni, era confinata nel regno della speculazione teorica. Nasceva dalla necessità di conciliare la relatività generale, le cui leggi governano il comportamento dei corpi su scala macroscopica, con la meccanica quantistica, che regola le interazioni tra le particelle nel mondo microscopico.

I fisici teorici hanno così pensato a un modello dello spazio-tempo che si adattasse a queste due prospettive tra loro agli antipodi: una struttura granulare che si rivela solo a uno sguardo ravvicinato, mentre da lontano appare uniforme, come una superficie ricoperta di sabbia. Anche se affascinante e dotata di coerenza interna, la teoria dello spazio-tempo schiumoso finora non aveva trovato una conferma sperimentale, a causa soprattutto della difficoltà di rilevare i suoi effetti a una scala piccolissima.

La svolta è stata data da modelli di schiuma spazio-temporale secondo cui le particelle che si muovo nello spazio arrivano fino alla Terra in un intervallo di tempo che dipende in lieve misura dall’energia delle particelle stesse e delle caratteristiche delle sorgenti. Queste ultime, a loro volta, sarebbero influenzate dall’esistenza di una struttura schiumosa dello spazio-tempo. L’occasione per osservare alcuni di questi effetti è offerta dai dati registrati dal telescopio spaziale Fermi della NASA a cui collaborano le agenzie spaziali di Italia, Francia, Giappone e Svezia, e da IceCube, un osservatorio per neutrini della National Science Foundation statunitense, costruito al Polo Sud.

Giovanni Amelino Camelia e Giacomo D’Amico della “Sapienza” Università di Roma, in collaborazione con Niccolò Loret dell’Università di Zagabria e Giacomo Rosati dell’Università di Cagliari hanno effettuato un’analisi statistica dei dati relativi a fotoni e neutrini registrati con questi strumenti. Anche se il campione statistico è per ora limitato e non permette di trarre conclusioni definitive, i risultati sono in buon accordo con l’ipotesi della schiuma spazio-temporale.

“Con l’ulteriore accumulo di dati che si avrà nei prossimi 4 o 5 anni potremo sapere con certezza se lo specifico modello di schiuma spazio-temporale che abbiamo considerato è confermato”, ha spiegato Amelino Camelia. “Anche in caso negativo sarebbe un passo significativo per lo studio della schiuma spazio-temporale, perché ci permetterebbe di restringere la classe di modelli su cui concentrare gli sforzi”.

Che cos’è la schiuma spaziotemporale?

Per cercare di risolvere il mistero di che cosa riempia l’universo, gli scienziati esplorano da tempo la possibilità che sia fatto, in realtà, di bolle. Nel 1955, il noto fisico John Wheeler ha proposto una teoria per cui, a livello quantistico, lo spaziotempo non sarebbe costante, ma “spumoso,” fatto di piccole bolle che mutano in continuazione e che sarebbero fatte essenzialmente altri mini-universi che si formano brevemente dentro al nostro.

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L’ipotesi della schiuma spaziotemporale si sposa bene con l’incertezza e l’indeterminismo intrinsechi al mondo quantistico. La schiuma spaziotemporale estende l’incertezza quantistica rispetto alla posizione e al moto di una particella alla matrice stessa dell’universo, così che la sua geometria non è stabile, coerente o fissa su scala minuscola.

Wheeler aveva illustrato l’idea della schiuma spaziotemporale facendo un’analogia con la superficie dell’oceano, come ci ha spiegato poi il fisico Y. Jack Ng dell’Università del North Carolina, a Chapel Hill, in una email:

Immagina di stare volando con un aereo sull’oceano. Ad altitudini elevate, l’oceano sembra piatto. Ma man mano che scendi di quota, inizia a mostrare le sue increspature. Abbastanza vicino alla superficie, vedi le bolle e la spuma. Analogamente, lo spaziotempo appare liscio su ampia scala; ma quando scendi abbastanza nel piccolo, lo vedrai increspato e spumoso.

Il professor Steven Carlip dell’Università della California, a Davis, ha pubblicato una nuova ricerca questo settembre che si basa sulla teoria della schiuma quantistica di Wheeler per dimostrare che le bolle spaziotemporali potrebbero “nascondere” la costante cosmologica su grande scala.

“Ci sono molte ipotesi diverse [per risolvere il problema della costante cosmologica], e un buon segno a favore della mia ricerca è che nessuna di essere è accettata universalmente,” ha detto Carlip in un’intervista. “Ho pensato che valesse la pena cercare un approccio che fosse meno ad hoc, e che derivasse magari da cose che sappiamo o sospettiamo altrove.”

L’idea è che nella schiuma spaziotemporale, ogni punto dello spaziotempo ha la grande quantità di energia vuota—lo stato di energia più bassa, equivalente allo “spazio vuoto”—predetta dalla teoria quantistica, ma si comporta diversamente da altri punti. Per ogni modo particolare in cui si comporta un dato punto dello spaziotempo, è ugualmente probabile che si verifichi l’esatto opposto in un altro punto dello spazio. Questa è la caratteristica della schiuma spaziotemporale che “compensa” l’energia extra e i processi di espansione su piccola scala, risultando nell’energia a basso livello che osserviamo nell’universo come intero.

Affinché funzioni tutto, bisogna supporre che, a livello quantistico, il tempo non abbia alcuna “direzione” intrinseca. In altre parole, non esiste alcuna “freccia del tempo.” Stando a Carlip, nel mondo quantistico non è una cosa così assurda. “La maggior parte dei fisici sarebbero d’accordo nel dire che non sappiamo a livello fondamentale perché debba esserci una freccia del tempo,” ha detto. “L’idea che sia qualcosa che ‘emerge’ solo su macro scala è in circolo da parecchio.”

Carlip definisce la schiuma spaziotemporale come una “struttura microscopica complessa.” Può essere pensata come un universo in espansione formato da piccoli universi che si espandono e contraggono in ogni punto dello spaziotempo. Carlip crede che sia possibile che, col tempo, le aree in espansione dello spaziotempo replichino ognuna questa struttura complicata, e che siano a loro volta piene di piccoli universi in ogni punto.

Un altro studio pubblicato ad agosto 2019 esplora questo scenario in modo più approfondito. Gli autori, Qingdi Wang e William G. Unruh dell’Università della British Columbia, suggeriscono che ogni punto dello spaziotempo abbia dei cicli di espansione e contrazione, come tante piccole versioni del nostro universo. Ogni punto nello spaziotempo, dicono, è un “universo microciclico,” che si muove all’infinto dalla singolarità al Big Bang, collassando e ricominciando poi da capo.

I computer più piccoli dell’universo e una teoria del tutto?

La schiuma quantistica sta guadagnando una certa risonanza, non solo come soluzione al problema della costante cosmologica, ma anche per rispondere a una serie di altri enigmi della fisica, come i buchi neri, i computer quantistici e l’energia oscura.

Un articolo di prossima pubblicazione scritto da Ng, suggerisce che la schiuma spaziotemporale custodisca la chiave per spiegare in modo unificato tanto i fenomeni su scala quantistica quanto quelli su scala cosmologica, avvicinandoci di un passo alla elusiva Teoria del Tutto. Una teoria del genere spiegherebbe in un colpo solo aree della fisica che sono al momento indipendenti, se non in diretto conflitto.

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Come Carlip, Ng deriva anche il valore elevato di una costante cosmologica positiva usando un modello di bolle spaziotemporali. Ma per farlo, tratta le “bolle” nella schiuma quantistica come se fossero i computer più piccoli dell’universo, che codificano e processano informazioni. Ricordate: la schiuma quantistica contiene bolle di incertezza nello spazio e nel tempo. Per misurare quanto “pieno di bolle” è lo spaziotempo, Ng suggerisce un esperimento in cui si raggruppano degli orologi in un volume sferico di spaziotempo che trasmette e riceve segnali luce e misura il tempo che impiegano per essere ricevuti.

“Il processo di mappare la geometria è una sorta di calcolo informatico, in cui le distanze sono calibrate trasmettendo e processando informazioni,” ha scritto nel suo paper.

Usando altre relazioni note tra l’energia e il calcolo quantistico, e il limite alla massa contenuta nella sfera per evitare di formare un buco nero, Ng sostiene che l’incertezza costruita nell’universo di scala quantistica che determina quanto accuratamente (o non accuratamente) possiamo misurare la geometria dello spaziotempo limita anche la quantità massima di informazioni che questi computer-bolle possono contenere e il loro potere di calcolo.  Estendendo questi risultati all’universo intero anziché solo a volumi isolati di spaziotempo, Ng dimostra che la schiuma spaziotemporale è equivalente all’energia oscura e alla materia oscura, dato che la materia ordinaria non sarebbe in grado di contenere e calcolare la quantità massima di informazioni che lui deriva dalla misurazione.

“L’esistenza della schiuma spaziotemporale, con l’aiuto di qualche considerazione di termodinamica, sembra implicare la co-esistenza di un settore oscuro (in aggiunta a quello della materia ordinaria),” ha detto Ng a Motherboard. “Questa linea di ricerca non è comune nella comunità di fisici teorici, ma per me ha molto più senso (fisico).”

L’assunto fondamentale del lavoro di Ng è: non solo la schiuma spaziotemporale può essere misurata ed esplorata concettualmente, ma può anche spiegare l’accelerazione dell’universo connettendo fisica quantistica, relatività generale ed energia oscura. Ng crede che una Teoria del Tutto sia ormai a portata di mano.

“Alla fine, ciò che mi interessa fare e, soprattutto, spingere altri a fare, è andare oltre la considerazione della schiuma spaziotemporale e vedere se tanto la meccanica quantistica e la gravitazione sono fenomeni emergenti, e se la termodinamica (la cui protagonista indiscussa è l’entropia) custodisce la chiave per comprendere le leggi della natura,” ha detto.

Il futuro della ricerca sulla schiuma

Concettualmente, la schiuma spaziotemporale riconcilia e spiega molti dei problemi enormi che ci sono tra la fisica quantistica e la cosmologia. Ugualmente, tanto Ng quanto Carlip vogliono che siano fatti molti più studi. Carlip sta lavorando a un modello quantitativo della schiuma spaziotemporale per integrare il modello teoretico che è al momento sul tavolo. ha battezzato il modello “minisuperspazio,” e spera che i fisici che fanno ricerca su altri approcci all’intersezione quantistico-cosmologica possano riscontrare esempi del modello nei propri lavori, se sanno dove cercare. Per iniziare, Carlip dice che si concentrerà su simulazioni numeriche a sostegno del modello.

Andare oltre un semplice modello quantitativo richiederà l’aiuto di tutti. “Mi piacerebbe molto se persone che lavorano in modo diverso su temi come gravità quantistica, teoria delle stringhe, gravità quantistica a loop, sicurezza asintotica, etc., cercassero questo tipo di fenomeno nel loro lavoro per vedere se è possibile fare una connessione,” ha detto Carlip. Ng ha fatto eco al suo desiderio di una ricerca più dedicata che vada oltre i confini di aree specifiche della fisica teorica. Ma la sua speranza è ancora più ambiziosa: una teoria unificata che leghi insieme meccanica quantistica, gravità e termodinamica e che spieghi tutti i misteri dell’universo.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. JA Wheeler, “Geons”, Phys. Rev. 97 , 511 (1955) .
  2. P. Brax, “Cosa fa accelerare l’Universo? Una rassegna su cosa potrebbe essere l’energia oscura e su come testarla ”, Rep. Prog. Phys. 81 , 016902 (2017) .
  3. Special Relativity induced by Granular Space“, di Petr Jizba e Fabio Scardigli

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