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livello difficile.
ARGOMENTO: FISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: gravità
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Quando ci proviamo ad affacciare all’elaborazione delle teorie dell’universo, ci accorgiamo che il dialogo tra gli scienziati è tutt’altro che sterile. Alcuni di noi si fermano ai principi della teoria relativistica di Einstein, se non prima, ma nella comunità ristretta dei ricercatori vengono elaborate continuamente nuove ipotesi che possono dare una spiegazione all’origine dell’universo ed ai suoi meccanismi, a volte minando le attuali fondamenta scientifiche e aprendo le porte a un territorio ancora inesplorato: la Gravità Emergente.
Dobbiamo risalire al 2009, quando un fisico olandese Erik Verlinde, si dice durante un week end iniziato male per la perdita del suo passaporto, sviluppò una teoria rivoluzionaria che sfidava la nostra comprensione tradizionale della gravità, la forza ideata da Isaac Newton, nel 1666, che si accorse che ogni oggetto dotato di massa esercita questa forza sugli altri corpi, attraendoli. Una forza che percepiamo tutti i giorni che viene definita in fisica newtoniana, di gravità o forza peso. Si dovette arrivare ad Albert Einstein che nel 1915, nella teoria della relatività generale, ipotizzò che la gravità non doveva essere considerata come una forza, ma come un fenomeno risultante dalla curvatura dello spazio-tempo causata dalla presenza di massa. In estrema sintesi, maggiore era la massa in un dato volume di spazio, maggiore era la curvatura dello spazio-tempo. Questa teoria fu confermata la prima volta il 29 maggio 1919 da Sir Arthur Eddington che osservando la differenza della posizione osservata delle stelle durante l’eclisse, rispetto alla loro normale posizione notturna dimostrò che la luce di queste stelle si era piegata mentre passava vicino al Sole a causa del suo campo di gravità, come previsto dalla teoria della Relatività Generale di Einstein.
Di fatto, contraddicendo la teoria newtoniana per cui i fotoni sono privi di massa e avrebbero dovuto essere insensibili all’interazione gravitazionale. L’osservazione di Eddington confermò la teoria di Einstein per cui lo spazio poteva essere incurvato dalla gravità. Oltre cent’anni dopo, Verlinde suggerisce che la gravità, così come la temperatura e altre grandezze fisiche, possa essere invece una conseguenza delle proprietà emergenti 1 di particelle e dei campi quantistici. Un concetto che sconvolge le basi della fisica moderna, mettendo in discussione la nostra comprensione tradizionale della realtà fisica. Secondo la teoria di Verlinde le leggi della termodinamica e della relatività generale possono essere reinterpretate alla luce della gravità emergente, rivoluzionando la comprensione dei misteri dei buchi neri e, di conseguenza, dell’intero universo. Quest’idea che la gravità non sia una forza fondamentale ma un sottoprodotto della tendenza naturale verso il disordine (entropia) sta aprendo scenari rivoluzionari per la comprensione della realtà suggerendo che ciò che percepiamo come attrazione gravitazionale sia in realtà il risultato dell’aumento di entropia in un “mondo” nascosto a due dimensioni.
Per meglio comprendere dobbiamo richiamare l’evoluzione del concetto di entropia, interpretata come la misura del disordine presente in un sistema fisico. Il concetto di entropia fu introdotto agli inizi del XIX secolo, in termodinamica, per descrivere una caratteristica (la cui generalità fu osservata per la prima volta da Sadi Carnot nel 1824) di tutti i sistemi, di trasformarsi spontaneamente in una sola direzione.
Nel XIX secolo, Rudolf Clausius coniò il termine entropia (dal greco ἐν en, “dentro”, e da τροπή tropé, “cambiamento”) osservando che l’energia si trasformava in lavoro utile. In seguito fu il fisico e matematico austriaco Ludwig Boltzmann, uno dei più grandi studiosi di fisica teorica di tutti i tempi che definì l’entropia come una misura del disordine molecolare, destinato ad aumentare. Circa un secolo dopo, Jacob Bekenstein dimostrò che l’entropia di un buco nero era proporzionale alla superficie del suo orizzonte degli eventi, mentre Ted Jacobson ipotizzò che le equazioni di campo di Einstein, che descrivono la gravità relativistica, possono essere derivate da considerazioni termodinamiche.
Nel 2009, Erik Verlinde elaborò la sua teoria: la gravità sarebbe un artefatto della legge fondamentale secondo cui l’entropia deve sempre aumentare. Inutile dire che la comunità scientifica si divise: per alcuni questa ipotesi era impossibile, per altri corretta ma già nota. Andrew Strominger di Harvard riassunse: “C’è chi dice che non può essere giusta e chi dice che è giusta ma la conoscevamo già”.
Senza avventurarci in formule matematiche complesse, il modello di Verlinde si fonda sull’idea olografica per cui il nostro mondo tridimensionale in realtà sarebbe la proiezione di una realtà più profonda e bidimensionale. Verlinde, ipotizzando due masse separate da uno “schermo” sferico, dimostrò che l’aumento di entropia, e non una forza fisica, spinge la massa esterna verso l’interno. La chiave di lettura potrebbe essere immaginata come una rete di entanglement quantistico che organizza l’informazione della realtà … da brividi. Secondo Verlinde, la distribuzione dell’entanglement nelle galassie genererebbe gravità “extra” sufficiente a spiegare la loro rotazione senza ricorrere alla materia oscura. In seguito Kazem Rezazadeh estese il concetto su scala cosmologica, mostrando che la gravità entropica potrebbe produrre anche un’espansione accelerata dello spazio-tempo, fenomeno fino ad oggi attribuito all’energia oscura.
Sebbene le leggi fondamentali della meccanica quantistica e della teoria della relatività generale di Einstein furono scoperte quasi simultaneamente, la loro combinazione comportava che lo spazio e il tempo dovessero seguire le leggi della meccanica quantistica.Secondo Dan Carney, ricercatore del Lawrence Berkeley National Laboratory, negli ultimi due decenni sono avvenuti tre sviluppi rivoluzionari che hanno radicalmente cambiato questa prospettiva. In primis la scoperta avvenuta nel 1997 dell’espansione accelerata dell’universo, che ha costretto i teorici a riconsiderare ciò che può essere osservato a causa della presenza di orizzonti cosmologici. In secondo luogo, lo sviluppo del computer quantistico, che potrebbe consentirci di eseguire simulazioni dell’attuale unico modello dettagliato di gravità quantistica: la teoria delle stringhe. E non ultimo l’avvento di rivelatori quantistici, strumenti in grado di rilevare con estrema precisione fenomeni fisici come i campi magnetici o gravitazionali che, essendo basati su sistemi quantistici come atomi singoli, sono estremamente sensibili a qualsiasi interazione con l’ambiente circostante.
Dan Carney, del Lawrence Berkeley National Laboratory, ha recentemente proposto un esperimento per cercare variazioni gravitazionali: un pendolo torsionale accanto a una nuvola di atomi in stato quantico che potrebbe rivelare irregolarità dovute a questi effetti entropici. Secondo New Scientist, la gravità tradizionale produrrebbe variazioni regolari, mentre eventuali fluttuazioni casuali indicherebbero un’origine termodinamica. Se confermata, la visione dell’Universo potrebbe cambiare trasformando la gravità, come la concepiamo oggi, in una finestra privilegiata sull’informazione che plasma la realtà.
Una teoria folle?
Secondo uno studio, Gravity from transactions: fulfilling the entropic gravity program di A. Schlatter e R. E. Kastner l’attrazione gravitazionale non è affatto una forza fondamentale ma un effetto che emerge da processi quantistici più profondi legati all’elettromagnetismo, una nuova teoria che potrebbe contribuire a spiegare misteri che a lungo hanno resistito ai modelli standard, tra cui l’origine della materia oscura e l’energia che accelera l’espansione dell’universo. Lo studio, pubblicato sul Journal of Physics Communications, concepisce la gravità come qualcosa che nasce dal comportamento a livello quantistico della materia ordinaria. In estrema sintesi, secondo questa teoria, ogni transazione dà origine a una coppia di eventi nello spaziotempo, creando di fatto insieme una rete di relazioni che formano ciò che percepiamo come spazio e tempo. Di fatto ipotizzando che la gravità come un fenomeno emergente, un effetto che nasce da processi fisici più basilari, piuttosto che da una forza a sé stante. In questa visione, l’apparente curvatura dello spaziotempo, descritta dalla relatività generale di Einstein, non è una caratteristica fondamentale dell’universo, ma un risultato su larga scala delle interazioni sottostanti tra materia e campo elettromagnetico. La novità di questo approccio è che la gravità, inclusa l’energia oscura e la materia oscura, possono essere derivati in modo molto elegante come conseguenza del formalismo della fisica quantistica, unito ai principi della termodinamica.
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1 In fisica, il termine emergente viene usato per descrivere una proprietà, legge o fenomeno che si manifesta su scala macroscopica (nello spazio o nel tempo), ma non a livello microscopico; questo nonostante un sistema macroscopico può essere considerato come un grande insieme di sistemi microscopici.
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