Uniremo mai la meccanica quantistica con la relatività generale?

Il più delle volte, le domande che emergono nel corso della giornata sono quelle a cui tutti possiamo rispondere in modo abbastanza sicuro. Hai pranzato? Hai sentito la nuova canzone di Taylor Swift? È un confessionale su un ragazzo con cui è uscita una volta?

Ma quando iniziamo a riflettere sulle grandi domande - quella che affrontiamo oggi chiede se la meccanica quantistica e la relatività generale possano mai essere riconciliate - la nostra autostima crolla. La meccanica quantistica non ha qualcosa a che fare con i pianeti? La relatività generale è quella con un'energia uguale al quadrato della massa per la velocità della luce? Aspetta, quella era massa o movimento? O minuti. Sono minuti, vero?

Niente paura. Sebbene sia estremamente difficile rispondere a questa domanda, la domanda stessa è semplice come decifrare il testo di una pop star. Prima di iniziare a risolvere l'universo irrisolvibile, analizziamo i componenti.

Per prima cosa affrontiamo la meccanica quantistica. Ed è un buon punto di partenza, perché è lo studio di qualcosa di estremamente piccolo: materia e radiazioni a livello atomico e subatomico. È stato davvero solo quando gli scienziati hanno iniziato a comprendere gli atomi che la normale vecchia fisica ha avuto bisogno di un piccolo emendamento. Perché quando gli scienziati hanno osservato gli atomi, non si sono comportati come il resto dell'universo . Ad esempio, gli elettroni non orbitavano attorno al nucleo come un pianeta in orbita attorno al sole - in tal caso, sarebbero entrati nel nucleo [fonte: Stedl ].

Divenne chiaro che la fisica classica non lo tagliava su scala atomica. Quindi la meccanica quantistica è nata dalla necessità di comprendere come i fenomeni molto piccoli agissero in modo diverso rispetto alle Grandi Cose nella scienza. Quello che abbiamo scoperto è che qualcosa come un fotone potrebbe agire come una particella (che trasporta massa ed energia) e un'onda (che trasporta solo energia). Questo è un grosso problema: potrebbero essere due cose contemporaneamente. E significa che le parti più piccole dell'universo fluttuano drammaticamente e senza modo di conoscere la posizione particolare in qualsiasi momento.

Quindi ora capiamo che la meccanica quantistica ha sostanzialmente aperto il modo in cui pensiamo all'universo (quando si tratta della più piccola scala). Le particelle possono essere onde, per esempio. Solo per aumentare il divertimento, il principio di indeterminazione della meccanica quantistica ci dice che non possiamo davvero dire dove si trovi una particella o quanto velocemente si muova allo stesso tempo.

Einstein non ce l'aveva. L'idea che non potessimo davvero dire dove fosse una particella o cosa stesse facendo deve essere stata profondamente inquietante per un fisico dedito a definire il modo in cui funzionava l'universo - cosa che fece Einstein, con la teoria della relatività generale.

Ora non aver paura. La relatività generale ha due grandi idee: una sullo spazio e sul tempo, un'altra sulla gravità. Come lo vediamo io e te, lo spazio e il tempo sono sullo sfondo. Sono fissi. Esistono cronologicamente (e in un certo senso monoliticamente). Nella relatività generale, lo spazio e il tempo sono una dimensione unificata (chiamata spazio-tempo, convenientemente). Ma ecco il punto: lo spazio-tempo può essere grande e unificato, ma non è sullo sfondo. La teoria della relatività generale afferma che lo spazio-tempo può essere influenzato dalla materia. Ciò significa che tu, come materia, esistente, stai cambiando spazio e tempo.

OK, non esattamente. In realtà sono cose davvero grandi che stanno deformando lo spazio-tempo. Il sole, per esempio, sta curvando lo spazio-tempo verso di esso. E cosa implicherebbe? Ah, è vero: pianeti più piccoli cadrebbero in orbita attorno ad esso.

Il che ci porta alla gravità. In effetti, la relatività generale non era solo Einstein che dava una pacca sulla spalla a Newton e diceva: "Sì, signore, la gravità è una cosa!" Invece, Einstein ci ha dato una ragione per la gravità: la curvatura dello spazio-tempo ha fatto esistere la gravità e ha fatto agire l'universo in quel modo.

Allora, qual'è il problema? Einstein ci ha mostrato un modo strabiliante di funzionamento dell'universo e la meccanica quantistica ci mostra un modo affascinante in cui funzionano le particelle a livello atomico e subatomico. Sfortunatamente, uno non spiega l'altro. Il che significa che ci deve essere una teoria più ampia che li comprenda... o no?

Non riusciamo a capire come la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale possano riconciliarsi senza prima capire come, in questo momento, non lo facciano. Perché si scopre che nessuno dei due funziona davvero se l'altro è vero.

Einstein disse che lo spazio-tempo è una costante regolare e che solo le grandi cose possono deformarlo. La meccanica quantistica diceva che le parti più piccole dell'universo sono costantemente, drammaticamente fluttuanti e cambiano.

Se la meccanica quantistica è corretta e tutto è costantemente in movimento confuso, la gravità non funzionerebbe nel modo previsto da Einstein. Anche lo spazio-tempo dovrebbe essere costantemente in contrasto con tutto ciò che lo circonda e agire di conseguenza. Inoltre, la meccanica quantistica diceva che non si poteva - con certezza - dichiarare un ordine prestabilito. Invece, dovevi accontentarti di prevedere le probabilità.

D'altra parte, se la relatività generale è corretta, la materia non potrebbe fluttuare così selvaggiamente. Ad un certo punto saresti in grado di sapere dove si trova tutta la materia e esattamente dove sta andando. Il che, ancora, è in contrasto con la meccanica quantistica.

Ma state certi che scienziati, fisici ed esperti da poltrona allo stesso modo stanno tutti cercando disperatamente di trovare un modo per riconciliare i due. Uno dei favoriti è la teoria delle stringhe, che dice che invece di una particella che agisce come un punto, agisce come una stringa. Ciò significa che sarebbe in grado di ondeggiare, muoversi e scorrere in loop e generalmente fare tutti i tipi di cose che un punto non potrebbe. Potrebbe anche trasmettere gravità a livello quantistico e la diffusione delle particelle su una stringa renderebbe teoricamente un'atmosfera meno turbolenta e meno folle. Il che apre la teoria, ovviamente, a concordare con la relatività generale. Ma tieni presente che la teoria delle stringhe non è mai stata confermata con nessun esperimento -- e c'è molto dibattito se può essere provata del tutto.

Se si verificasse un esperimento così monumentale, probabilmente accadrebbe con un acceleratore di particelle. È lì che potremmo trovare dei superpartner. (No, non Batman e Robin). I superpartner fanno parte della teoria delle stringhe secondo cui ogni particella ha una particella partner supersimmetrica che è instabile e che ruota in modo diverso (ad esempio, l'elettrone e il selectrone o il gravitone e il gravitino). Fortunatamente per noi, nel 2010 abbiamo trovato prove del nostro primo bosone di Higgs quando abbiamo fatto schiantare particelle insieme nel Large Hadron Collider , quindi potremmo essere sulla buona strada per dimostrare sperimentalmente la teoria delle stringhe.

Lo spin potrebbe anche aiutarci a sperimentare l'entanglement quantistico , in cui gli elettroni vengono catturati l'uno nello spin dell'altro. È facile da vedere in piccoli spazi, ma gli scienziati stanno lavorando per inviare fotoni nello spazio e tornare indietro per misurare come funziona su una grande distanza - e curvatura - di spazio e tempo.

Ma potremmo anche guardare ai buchi neri per scoprire una teoria del tutto (un TOE!). In un buco nero, hai una cosa davvero pesante (una stella, a cui si applica la relatività generale) e una cosa davvero piccola (il minuscolo puntino in cui è schiacciato, che spiega la meccanica quantistica). Quindi, se riusciamo a determinare cosa succede - o cosa cambia - quando il grande diventa piccolo, potremmo semplicemente riconciliare la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale.

Nota dell'autore: Uniremo mai la meccanica quantistica con la relatività generale?

A volte, vorrei che il titolo di un articolo fosse solo un disclaimer: "Non aver paura di questo argomento". È un peccato che queste Grandi Idee - le teorie di Einstein, la meccanica quantistica - abbiano la reputazione di essere al di là della comprensione del pubblico. Certo, la matematica dietro è al di là della maggior parte di noi, ma si possono cogliere le idee senza di essa. Non ci sono draghi in fisica; non aver paura di scoprire ciò che non conosci.

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