Un modello dello spaziotempo in accordo con la gravità quantistica

E se lo spaziotempo fosse come un superfluido? Avrebbe viscosità molto bassa. A sostenerlo è un nuovo studio realizzato congiuntamente dalla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste e dall’Università Ludwig-Maximilian di Monaco di Baviera che propone un modello compatibile con alcune previsioni della gravità quantistica. I risultati descritti nella rivista Physical Review Letters mostrano che è possibile superare la Relatività Generale in accordo con alcuni vincoli posti proprio dalla gravità quantistica.

La meccanica quantistica è in grado di spiegare in modo efficace tre delle quattro forze fondamentali dell’universo (elettromagnetismo, interazione debole e interazione forte), ma non spiega gravità, per cui dobbiamo fare appello alla Relatività Generale e, dunque, alla fisica classica. Riuscire a descrivere la gravità all’interno della fisica quantistica è dunque una delle principali sfide che la fisica si trova oggi ad affrontare. Tuttavia, nonostante i tanti modelli proposti fino ad oggi, nessuno si è dimostrato soddisfacente o, cosa più importante, suscettibile di una qualche verifica sul piano empirico.

Rappresentazione artistica della geometria dello spazio-tempo. (Credit: T. Thiemann (FAU Erlangen), Albert Einstein Institute, Milde Marketing Wissenschaftskommunikation, exozet effects).

Fluidità e viscosità sono le due questioni affrontate dai fisici teorici che lavorano all’ipotesi della gravità quantistica.  Alcuni di questi modelli prevedono che alla scala di Planck lo spaziotempo non sia più continuo – come ritenuto dalla fisica classica – ma discreto, proprio come accade nei solidi o liquidi quando se ne osservano i costituenti: atomi e molecole. Una struttura di questo tipo in genere implica, ad energie molto elevate, violazioni della Relatività Speciale.

Da questo punto di vista lo spaziotempo può essere trattato come un fluido. Se la Relatività Generale fosse l’analogo dell’idrodinamica nei fluidi, quella disciplina capace di descriverne il comportamento a livello macroscopico, allora secondo alcuni modelli sarebbe un ottimo strumento esplicativo su larga scala,  come se fosse un oggetto classico, non dicendo ovviamente nulla sugli “atomi” che compongono lo spazio-tempo.  Lo spaziotempo sarebbe quindi un fenomeno che emerge da costituenti più fondamentali, come l’acqua è ciò che percepiamo della massa di molecole che la compongono. Stefano Liberati (SISSA) e Luca Maccione (Ludwig – Maximilian) hanno escogitato modi innovativi di usare gli strumenti della fisica delle particelle e dell’astrofisica ad alte energie per descrivere gli effetti che dovrebbero essere osservati se lo spaziotempo fosse un fluido. Abbiamo in questo modo dei nuovi strumenti per valutare il valore di possibili scenari per la gravità quantistica.

I due studiosi hanno catalogato con precisione questi “effetti” mostrando che la viscosità tende a far svanire velocemente sia i fotoni che le altre particelle nel loro tragitto: “eppure noi possiamo vedere fotoni provenienti da oggetti astrofisici a milioni di anni luce da noi!”, spiega Liberati. “Se lo spaziotempo è un fluido, allora secondo i nostri calcoli deve trattarsi per forza di un superfluido. Questo significa che il valore della sua viscosità è bassissimo, prossimo allo zero. Abbiamo inoltre previsto altri effetti dissipativi più deboli, che potrebbero essere osservati con future osservazioni astrofisiche. Se questo accadesse, si tratterebbe di un forte indizio a supporto dei modelli emergenti dello spaziotempo. Con la tecnologia attuale in astrofisica i tempi sono ormai maturi per portare la gravità quantistica da un piano meramente speculativo a uno più prettamente fenomenologico. Non si può immaginare un momento più interessante per dedicarsi alla gravità”.

Paper di riferimento:

Stefano Liberati e Luca Maccione, Astrophysical Constraints on Planck Scale Dissipative Phenomena, in “Physical Review Letters”, 112, 2014: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.151301