Separati in una casa... di schiuma

La casa è lo spaziotempo. I separati sono due pilastri fondamentali della conoscenza: da una parte la relatività generale che spiega la gravitazione e ne descrive gli effetti, dall’altra la meccanica quantistica che rappresenta il bizzarro mondo dell’infinitamente piccolo e le sue strane leggi. Due realtà che funzionano perfettamente nei contesti all’interno dei quali esercitano le proprie funzioni ma che messe insieme fanno a pugni.

La teoria della relatività generale di Einstein è la sintesi più completa dei fenomeni legati alla gravitazione. Estendendo i concetti e i risultati della teoria ristretta della relatività all’interpretazione newtoniana della gravitazione, il grande fisico dimostrò che la presenza di corpi immersi nello spazio ha influenza sulla geometria di quest’ultimo, deformandolo, incurvandolo, alla stregua di un telo elastico su cui vengano poggiati oggetti di peso diverso. Ma le tre dimensioni dello spazio non sono più disgiunte da quella del tempo: il continuum ove tutto si svolge è rappresentato dal cosiddetto “spaziotempo”.

La scoperta recente delle onde gravitazionali, previste cento anni fa dalla teoria di Einstein e legate a fenomeni che implicano catastrofici eventi cosmici come ad esempio la fusione di due o più buchi neri, ha in un certo senso incoraggiato la ricerca dell’unificazione della teoria della gravitazione con quella quantistica, infondendo nuova linfa in questa linea di attività. È di poco fa la notizia di un ulteriore passo avanti in tal senso. Un articolo pubblicato di recente su Nature Astronomy (In vacuo dispersion features for gamma-ray-burst neutrinos and photons - G. Amelino‒Camelia, G. D’Amico, G. Rosati, N. Loret) illustra un particolare effetto di dispersione dell’energia da parte di particelle che viaggiano nel cosmo, derivato dall’analisi statistica dei dati sperimentali del telescopio spaziale Fermi e dall’osservatorio per neutrini IceCube in Antartide, che sembrerebbe essere compatibile con un modello di spaziotempo “rugoso” a dimensioni microscopiche.

Per fare un esempio, immaginiamo la differenza di comportamento di una sfera che rotola su una superficie liscia o su una anche solo appena rugosa. La dispersione di energia su quest’ultimo piano tenderebbe ‒ per attrito ‒ a rallentare la sfera molto di più rispetto al primo caso. Nella medesima analogia, ci sarebbero comportamenti diversi anche in base alle dimensioni della sfera stessa. Non è quello che realmente avviene ma aiuta a comprenderne il senso.

Cosa significa però spaziotempo “rugoso”? Prendiamo una bella inquadratura satellitare dell’Italia. Anche se con linee geometriche non perfette, il suo contorno è netto, ben definito, si distingue benissimo rispetto al mare che lo circonda. Ma se pensassimo di precipitarci giù dall’altezza del satellite fino ad arrivare a toccare quel contorno, man mano che ci avviciniamo ci accorgeremmo che quelle linee non appaiono più così nette, diventano linee di costa, non omogenee bensì frastagliate, talvolta interrotte... fino ad arrivare agli scogli e poi ai sassi levigati delle spiagge, ritmicamente ricoperti dalla risacca del mare. Passeremmo quindi dall’ordine stabile e continuo del macroscopico fino al disordine discontinuo e un po’ caotico del più piccolo dettaglio.

Questo sarebbe dunque l’aspetto dello spaziotempo. La sua struttura a livello quantistico somiglierebbe a una schiuma, alla forma porosa di una spugna, con buchi, “gallerie di tarlo”, ponti... tutti a dimensioni davvero ultramicroscopiche. Dato che la relatività generale è in definitiva una descrizione della varietà geometrica dello spaziotempo, come si diceva, la porosità di quest’ultimo a dimensioni infinitesime suggerirebbe la possibilità di inquadrare la gravitazione in termini quantistici, arrivando a definire una sua teoria (gravità quantistica) in grado finalmente di unificare i due pilastri dell’intero edificio della Fisica.

L’idea della schiuma quantistica (Quantum Foam) non è nuova. Di nuovo c’è questa prima evidenza sperimentale, ancorché statistica, che potrebbe avvicinare un’ipotesi teorica alla realtà.