Spaziotempo come "vuoto" superfluido
Articolo pubblicato il 16/11/2023
Una delle questioni più affascinanti della fisica teorica è l'armonizzazione della teoria della relatività generale con la meccanica quantistica.
La teoria della relatività generale, elaborata da Einstein e pubblicata nel 1916, è l'attuale teoria della gravitazione; essa studia in particolare il campo gravitazionale in termini geometrici usando la nozione di curvatura dello spaziotempo - e come tale non è una teoria quantizzata, cioè non assegna al campo gravitazionale particelle elementari. La gravità è infatti vista come una componente della curvatura dello spaziotempo (struttura quadridimensionale dell'universo) creata da corpi dotati di massa.
La meccanica quantistica descrive, invece, nel campo elettromagnetico la radiazione e la materia sia come fenomeno ondulatorio sia come entità particellare (con particolare riguardo alla scala atomica e subatomica). Ed il quanto viene visto come particella elementare associata a un campo (come quello gravitazionale) di forze, ossia una funzione che dà ad ogni posizione un vettore per descrivere l'interazione a distanza tra oggetti.
La gravità quantistica è il campo della fisica che tenta di fornire una descrizione della gravità (su scala macroscopica) coerente con i principi della meccanica quantistica (che s'interessa, appunto, dei fenomeni tipici della scala atomica e subatomica). Per questo la teoria quantistica dei campi sviluppa la meccanica quantistica applicandola al concetto di campo e modifica il concetto di particella come entità singola (dandole il significato di "stato eccitato di un punto del campo").
Dopo aver cercato di risolvere il problema con la quantizzazione della gravità suddividendo il campo gravitazionale in "pezzi più piccoli", un ulteriore tentativo della fisica teroica resta quello di unificare le quattro forze fondamentali della natura in una teoria in grado di comprendere le tre interazioni standard (elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte) con l'interazione gravitazionale descritta dalla relatività generale per arrivare alla cosiddetta "teoria del tutto".
In tale quadro di riferimento teorico, e al fine di trovare un accordo fra le due posizioni, è stata avanzata l'ipotesi che fosse necessario - oltre alla gravità - quantizzare l'oggetto fondamentale che costituisce lo spaziotempo e considerare lo spaziotempo come fosse fluido. Mediante questa analogia coi fluidi, le particelle potrebbero propagarsi attraverso lo spaziotempo in maniera simile ad onde in un oceano che, per effetto della dissipazione, perde energia nel tempo.
La teoria delle stringhe è un modello fisico i cui costituenti fondamentali sono oggetti a una dimensione (le stringhe), invece che a dimensione nulla (i punti) come nelle teorie precedenti. Essa evita perciò i problemi connessi alla presenza di particelle puntiformi. Secondo il modello di gravità quantistica offerto dalla teoria delle stringhe, nel regno dell'infinitamente piccolo (es. nella scala di Planck) lo spaziotempo avrebbe una natura discreta, quantizzata, e si presenterebbe come un fenomeno "emergente" da entità più fondamentali, proprio come l'acqua è ciò che noi percepiamo dall'unione di molecole di H2O.
Se allora lo spaziotempo (come un "vuoto") superfluido fosse creato dall'interazione delle quattro forze fondamentali dell'universo (ossia elettromagnetica, gravitazionale, nucleare forte e nucleare debole) questo modello consentirebbe di fare, più liberamente, un'ulteriore analogia con l'antica concezione filosofica dei quattro elementi: acqua, aria, terra e fuoco più un quinto, l'Etere.
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