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Gravità ed unificazione GR e quantistica
Cosa stanno cercando di fare gli scienziato per unificare le teorie fisiche e quantistiche sulla gravità ?
La gravità è una forza fondamentale della natura, proprio come le altre tre forze: forza elettromagnetica, forza nucleare debole e forza nucleare forte. Insieme alla forza elettronagnetica, la gravità appartiene alla categoria delle forze a lungo raggio. Le forze nucleari hanno una distanza molto breve.
La gravità, secondo Newton, è una forza direttamente proporzionale alle masse di 2 corpi interagenti gravitazionalmente e inversamente proporzionale al quadrato di distanza tra di loro.
Ma la teoria di gravità newtoniana non dice nulla sulla causa di questa forza ed è anche non causale – l’interazione è istantanea indipendentemente dalla distanza tra i corpi.
Einstein rettificò il problema di gravità della non causalità rendendo la sua teoria della gravità invariante relativistica. La teoria generale della relatività (GR) è la teoria standard della gravità.
Limita l’interazione gravitazionale alla velocità della luce e ne fa una teoria causale. Anche l’invarianza relativistica mette lo spazio e il tempo sullo stesso piano. Invece di spazio e tempo separati, la teoria è definita sullo spaziotempo.
GR descrive la gravità come la curvatura dello spazio/tempo. La causa della gravità è finalmente compresa. La presenza di un corpo massiccio curva lo spazio-tempo Minkowski a 4 dimensioni attorno ad esso e la curvatura risultante agisce come una forza attrattiva su qualsiasi altro corpo vicino ad esso.
Poichè la curvatura dello spazio-tempo dovuta alla presenza di un corpo massiccio è sempre negativa, l’interazione gravitazionale è SEMPRE attraente. Questa è la ragione per cui la Terra rimane in orbita attorno al Sole. La Terra è molto lentamente a spirale verso il Sole !!! Ciò spiega anche perché una mela cade sempre verso il terreno e non si allontana mai da esso.
GR è una teoria classica che significa che la posizione e la quantità di moto di un corpo possono essere determinate con precisione in ogni punto della sua traiettoria. È ben noto che le altre 3 forze della natura sono di natura quanto-meccanica e quindi governate dal principio di indeterminazione di Heisenberg che proibisce una misurazione simultanea della posizione e della quantità di moto in un dato punto dello spazio-tempo.
Quindi c’è una buona ragione per credere che la gravità non sia un’eccezione e una corretta descrizione fondamentale se anche la gravità deve essere meccanica quantistica.
La descrizione meccanica quantistica standard di una forza fondamentale della natura è in termini di una teoria quantistica dei campi (QFT). I fisici hanno a lungo accettato un campo quantico essere il tassello fondamentale del nostro universo.
Ad esempio la forza elettromagnetica è descritta in modo quantico meccanicamente da un QFT invariante di gauge relativistico chiamato elettrodinamica quantistica (QED). In questa teoria una particella elementare come un elettrone agisce come fonte di interazione e l’interazione è trasportata da una particella messaggera chiamata fotone.
I campi quantici di elettroni e fotoni sono entrambi invarianti di gauge U (1) il che significa che le loro funzioni d’onda sono invarianti rispetto a una rotazione in un piano bidimensionale in cui l’asse di rotazione è fissato in una particolare direzione.
Sia l’elettrone che il fotone sono eccitazione quantizzata dei loro rispettivi campi quantici. Questi campi quantici permeano tutto lo spazio-tempo. Ecco perché tutti gli elettroni o i fotoni dell’universo sono esattamente uguali in tutte le loro proprietà.
In caso di gravità la particella del messaggero è chiamata gravitone. È un bosone di spin senza carica e senza massa 2. È un’eccitazione quantizzata del campo di gravità quantico. Dal momento che GR è una teoria rappresentata da tensori di rango 2, lo spin dell’eccitazione quantizzata deve essere 2. Ci si può chiedere cosa rappresenti esattamente questa eccitazione?
La teoria classica della GR descrive la gravità come la curvatura dello spaziotempo e la curvatura è continua. Una descrizione quantistica della gravità quantizza la curvatura e può avere solo valori discreti. Un gravitone non è altro che un’eccitazione della curvatura dello spaziotempo quando è quantizzato in termini di una QFT.
Bisogna tenere a mente che la gravità è una forza estremamente debole a bassa energia. È molto più debole della forza elettromagnetica. Ecco perché un semplice magnete è in grado di sollevare un’unghia di ferro, sebbene l’intero pianeta stia tirando giù quell’unghia dalla sua gravità.
Qualsiasi effetto meccanico quantistico nella gravità diventerebbe visibile solo a energie molto alte vicino alla scala di Planck. La QFT della gravità prevede che la forza di gravità dovrebbe aumentare con l’energia e diventare paragonabile alla forza elettromagnetica alla scala di Planck.
Una tale scala di energia era presente subito dopo il big bang. È presente anche vicino all’orizzonte degli eventi di un buco nero. Qualsiasi energia di questo tipo va ben oltre le capacità dei nostri acceleratori di particelle. Finora non è stata osservata alcuna deviazione dal GR e non è stata richiesta una descrizione quantistica della gravità.
Finora tutti i tentativi di quantizzare la gravità non sono riusciti a produrre una teoria libera dagli infiniti. Questi infiniti affliggono tutti i QFT e devono essere rimossi se la teoria è di fornire un valore finito per una quantità misurata fisicamente. Un esempio potrebbe essere quello di calcolare la probabilità di dispersione di 2 particelle quantistiche vicine l’una all’altra.
Il processo di cura di una QFT rimuovendo gli infiniti da esso è noto come la rinormalizzazione di una QFT. Questo fu raggiunto per la prima volta nel 1947 da Schwinger. Per la gravità quantistica non è stato possibile farlo oltre l’1 loop di Feynman dal 1964, quando Feynman propose il primo QFT di gravità.
Il compito di quantizzare la gravità è reso difficile dal fatto che richiede la quantizzazione dello spazio-tempo stesso in contrapposizione alla quantizzazione di un campo di materia o di gauge IN spazio-tempo per una QFT di altre 3 forze fondamentali della natura.
QFT di gravità che è rinormalizzabile – privo di infinito per tutti i loop di Feynman – è uno dei problemi aperti più importanti nella fisica teorica.
Qui devo sottolineare che finora non sono state ottenute prove sperimentali o osservative a sostegno di una natura quantistica della gravità. Può darsi che la gravità sia un’eccezione e che la descrizione corretta della gravità sia una teoria classica come la GR o la sua modificazione classica.
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