Unità discrete

La teoria del quantum spacetime: nuova chiave per unire relatività ed energia di Planck

Un recente studio propone una nuova prospettiva nel lungo tentativo di riconciliare la teoria della relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica, una delle sfide più complesse della fisica moderna.

Secondo la ricerca pubblicata sulla rivista "Classical and Quantum Gravity", quando lo spazio-tempo viene suddiviso in minuscole unità discrete anziché essere considerato continuo, la connessione tra queste due teorie fondamentali diventa improvvisamente più chiara. "Il nostro approccio è che lo spazio e il tempo stessi non sono continui ma costituiti da piccole porzioni. Se questa tesi è corretta, allora anche la gravità può essere descritta con l'aiuto della teoria quantistica", spiega Wolfgang Wieland, autore dello studio e fisico teorico presso l'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Norimberga (FAU).

Nella vita quotidiana, la discrepanza tra queste teorie non crea problemi pratici poiché la relatività generale si applica a oggetti di grandi dimensioni come pianeti, stelle e galassie, mentre la teoria quantistica descrive il comportamento di particelle microscopiche come atomi e fotoni. Tuttavia, in situazioni estreme come i buchi neri o il Big Bang, diventa essenziale disporre di una teoria unificata. Ad esempio, in un buco nero la gravità è così intensa che tutta la materia collassa in un singolo punto, rendendo necessaria la comprensione del comportamento gravitazionale a livello quantistico.

Attualmente, gli scienziati ritengono che l'energia possa teoricamente essere rilasciata a livelli infinitamente elevati, rendendo impossibile risolvere alcune equazioni nella gravità quantistica. Ma se lo spazio e il tempo fossero costituiti da blocchi minuscoli e indivisibili – simili ai pixel su uno schermo – analogamente a come l'energia e il momento nella meccanica quantistica si presentano in pacchetti indivisibili chiamati quanti, il quadro cambierebbe radicalmente.

In un tale universo, non sarebbe possibile spostare un oggetto di una distanza qualsiasi; piuttosto, questo si muoverebbe a intervalli fissi. Allo stesso modo, il tempo non scorrerebbe in modo continuo ma avanzerebbe in incrementi minuscoli, come il ticchettio di un orologio.

Questi incrementi sarebbero così incredibilmente piccoli che nella vita quotidiana non li percepiremmo. Secondo la relatività generale, la gravità deriva dalla curvatura dello spazio-tempo. Se lo spazio-tempo stesso non è continuo ma composto da piccoli blocchi, anche questa curvatura deve seguire un modello quantizzato. "Se lo spazio-tempo è costituito da piccoli passi, allora il rilascio di energia deve avere anche un limite superiore – proprio come nulla può viaggiare più veloce della luce", sottolinea Wieland. "Questa potenza massima, chiamata potenza di Planck, è inimmaginabilmente grande (10⁵³ watt) ma comunque limitata."

Dagli anni '30, si è creduto che la relatività generale e la meccanica quantistica non avessero collegamenti. Tuttavia, con l'approfondimento della ricerca sulla fisica quantistica e su fenomeni macroscopici come i buchi neri, l'esigenza di unificare queste teorie è diventata sempre più evidente. In lavori di ricerca separati, gli scienziati hanno precedentemente utilizzato l'equazione di campo di Einstein e l'entropia per spiegare come la gravità, lo spazio-tempo e altri fenomeni macroscopici possano essere descritti utilizzando la meccanica quantistica.

Lo studio attuale non è quindi il primo tentativo di unificazione delle due teorie, ma è probabilmente il primo a utilizzare la potenza di Planck, un'unità fondamentale ben riconosciuta, per far luce sulla connessione mancante. Tuttavia, tutte queste teorie sono ancora limitate ad assunzioni ed equazioni. La speranza è che ulteriori ricerche rivelino un modo per validare sperimentalmente concetti come la gravità quantistica e lo spazio-tempo quantizzato.