Monika Schleier-Smith sta testando l’idea che lo spazio-tempo emerga, come un ologramma, dalle interazioni quantistiche tentando di realizzarlo in laboratorio. La notizia è rilanciata da New Scientist che ha pubblicato un corposo approfondimento a questo singolare esperimento.
Una ricercatrice in California vuole ricreare lo spazio-tempo da zero
Nel 1997, J. Maldacena propose un modello teorico di dualità tra due teorie: la supergravità racchiusa all’interno di un universo con curvatura negativa e la cromodinamica quantistica ad infiniti colori sul bordo dell’universo stesso. Detta così, la sua proposta non risulta intellegibile ai più e vale la pena di spiegarne il significato e lo scopo stesso di tale proposta in modo tale da ricollegarsi all’articolo
Perché proporre o congetturare l’esistenza di una dualità tra teorie?
Perché se si riesce a dimostrare l’esistenza di una relazione tra due teorie si possono usare i risultati di una per calcolare le quantità descritte dalla seconda.
Alcune dualità sono molto semplici ed emergono da caratteristiche matematiche della teoria, ma i casi più interessanti sono quelli nei quali i gradi di libertà di una teoria sono espressi in modo molto complicato in termini dei gradi di libertà della seconda teoria, ad esempio in modo non-lineare, magari non-locale (non vale più la separazione spaziale dei gradi di libertà) e in generale in modo inestricabile. Questo spesso comporta enormi vantaggi: se da un lato, i calcoli e le analisi si possono fare in modo semplice con le tecniche di calcolo attualmente disponibili, dall’altro lato, la inestricabilità dei gradi di libertà comporterebbe uno sforzo di computazione enorme. Stabilendo pertanto un dualità si ha accesso ad un regime della teoria normalmente insondabile per via delle complicazioni tecniche e spesso anche concettuali.
Perché in generale è difficile avere accesso a certi regimi della teoria da un punto di vista matematico?
Quando si studia una teoria si hanno a disposizione dei parametri che servono per aggiustare il modello matematico alla realtà fisica. Tra questi ci sono ad esempio l’energia e la scala delle interazioni dei sottosistemi. Quando tali parametri assumono certi valori si dice che la teoria è in un dato regime e si può procedere al calcolo e confrontarlo con la realtà, ma il passaggio da un regime all’altro non è semplice ne tantomeno lineare. Spesso si incontrano alcuni fenomeni, come ad esempio le transazioni di fase, che rendono il sistema molto più difficile da studiare. Tutte le teorie conosciute soffrono intrinsecamente di questo problema: non tutti i regimi della teoria sono accessibili al calcolo e quindi rimaniamo ignoranti su alcuni aspetti. Tra queste teorie c’è la relatività di Einstein e le teorie delle particelle elementari come
L’elettrodinamica quantistica (QED), la cromodinamica quantistica (QCD) e il modello standard.
Perché la teoria di Einstein è difficile da studiare?
Per tre motivi: la teoria è non-lineare, la teoria formulata da Einstein è solo classica, ossia non quantistica ed è fondamentalmente legata alla struttura dello spazio-tempo e quindi all’universo stesso. Procediamo per gradi: la non-linearità implica che alcuni calcoli diventino assolutamente ingestibili non appena ci si spinga al di là della prima approssimazione. In secondo luogo c’è l’annoso problema: qual è la versione quantistica della teoria? Una possibile soluzione è fornita dalla teorie delle stringhe, che ha come approssimazione proprio la relatività di Einstein. Ed infine la relazione con il substrato stesso della teoria, cioè lo spazio-tempo. Einstein ci ha insegnato che lo spazio-tempo è regolato dalle sue equazioni che ne dettano la curvatura e l’evoluzione temporale. Ed è cosi anche nella teoria delle stringhe, ma in maniera ancora più profonda: la teoria delle stringhe descrive proprio uno spazio-tempo dinamico, o come si suol dire oggigiorno emergente.
Quindi la teoria delle stringhe è difficile da studiare?
Si, a maggior ragione sulla base di quello detto sino a questo punto, la teoria delle stringhe è moto complicata. Ma qui ci viene in aiuto l’olografia. Il lavoro di Maldacena e migliaia di lavori che sono seguiti sull’argomento, hanno mostrato che esiste una dualità tra la teoria delle stringhe che si muove in un universo curvo (con costante cosmologica negativa) e una teoria delle particelle elementari sul bordo di tale universo. Quindi sulla base di quello detto prima, possiamo accedere a calcoli della teoria delle stringhe, o se vogliamo per estrapolazione, a calcoli della teoria quantistica di gravità usando i risultati delle particelle elementari. Da tali calcoli possiamo vedere quindi lo spazio-tempo emergere come un fenomeno quantistico.
Cosa propone l’articolo su riportato?
Proporre un modello quantistico (nel caso specifico di atomi superfreddi) e collegare tale modello ad una teoria delle stringhe duale a tale modello da cui vedere emergere un’interpretazione di spazio-tempo. Ci sono ovviamente molte semplificazioni per realizzare tale situazione in un laboratorio e alla fine il modello emergente non sarà propriamente in nostro universo, ma la possibilità stessa apre una nuova affascinante frontiera.
Post Scriptum: cosa sono gli infiniti colori della cromodinamica quantistica?
La teoria dei quarks e delle loro interazioni è nota come QCD o cromodinamica quantistica, che è stata scoperta da Murray Gell-Mann ed è caratterizzata dai tre colori dei quarks. I colori non sono da intendersi nel vero senso della parole, ma sono un modo intelligente per trattare i gradi di libertà della teoria. Gli infiniti colori sono un’astrazione, ma che da un punto di vista matematico ha una serie di importanti conseguenze.(30Science.com)
