Un passo avanti verso una teoria della gravità quantistica

Un nuovo studio delinea le condizioni che accoppiano la gravità quantistica e la fisica a bassa energia.

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Teoria della gravità quantistica

Una nuova ricerca incentrata sull’effetto Unruh ha stabilito una serie di condizioni necessarie che le teorie della gravità quantistica devono soddisfare.

La fisica quantistica, sin dal suo sviluppo nei primi anni del XX secolo, è diventata una delle aree scientifiche di maggior successo e ben evidenziate. Ma, nonostante tutti i successi sperimentali, c’è un’ombra di cui non riesce a liberarsi.

Nonostante si sia riusciti ad integrare con successo le tradizionali forze, elettromagnetica, nucleari deboli e forti, – tre delle quattro forze fondamentali – la fisica quantistica deve ancora trovare il modo di integrare in sé la gravità.

Questo impedisce di integrare nella fisica quantistica anche la teoria della relatività generale di Einstein. Pertanto, i fisici stanno da tempo cercando di sviluppare una teoria quantistica della gravità.

Ora una collaborazione tra i ricercatori del SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati), dall’Università Complutense di Madrid e dall’Università di Waterloo – ha permesso di identificare le condizioni sufficienti e necessarie che il limite di bassa energia delle teorie della gravità quantistica deve soddisfare per preservare le caratteristiche principali dell’effetto Unruh.

Qualsiasi nuova teoria della fisica deve tener conto di questo effetto e questo significa che anche le teorie della gravità quantistica devono prevedere l’effetto Unruh e le sue previsioni (che sono descritte di seguito).

Il nuovo studio – pubblicato sulla rivista Physical Review Letters -  fornisce un solido quadro teorico per discutere le modifiche all’effetto Unruh causate dalla microstruttura dello spazio-tempo.

Eduardo Martin-Martinez, un assistente professore nel Dipartimento di Matematica Applicata di Waterloo, elabora il lavoro del team: “Quello che abbiamo fatto è stato analizzare le condizioni per avere l’effetto Unruh e abbiamo scoperto che, contrariamente a quanto generalmente ritenuto dalla comunità scientifica, la risposta termica per i rivelatori di particelle può avvenire senza uno stato termico“.

Le scoperte del team sono importanti perché l’effetto di Unruh esiste nel confine tra la teoria quantistica dei campi e relatività generale e gravità quantistica, che dobbiamo ancora capire.

Quindi, se qualcuno volesse sviluppare una teoria su ciò che accade al di là di ciò che sappiamo della teoria dei campi quantistici e della relatività, dovrebbe garantire che vengano soddisfatte le condizioni che abbiamo identificato nei loro limiti di bassa energia.”

Cosa è l’effetto Unruh?

L’effetto Unruh è stato descritto per la prima volta da Stephen Fulling nel 1973, seguito da Paul Davies nel 1975 e William G Unruh – da cui prende il nome – nel 1976.

L’effetto Unruh prevede che un osservatore posto in un quadro di riferimento non inerziale – uno che sta accelerando – osserverebbe fotoni e altre particelle in uno spazio apparentemente vuoto mentre un altro osservatore posto in un sistema di riferimento inerziale vedrebbe un vuoto in quella stessa area.

In altre parole: una conseguenza dell’effetto Unruh è che la natura di un vuoto nell’universo dipende dal percorso intrapreso attraverso di esso.

Come analogia, consideriamo un universo con una temperatura costante pari a zero e in cui non viene generato calore dagli effetti dell’attrito o dei contributi di energia cinetica. Un termometro fermo avrebbe il suo livello di mercurio stabilmente a zero.

Ma l’effetto Unruh presuppone che se quel termometro fosse agitato da un lato all’altro, la temperatura misurata non sarebbe più zero. La temperatura misurata sarebbe proporzionale all’accelerazione a cui è sottoposto il termometro.

Raúl Carballo-Rubio, ricercatore post dottorato presso la SISSA, in Italia, spiega ulteriormente: “Gli osservatori inerziali e accelerati non concordano sul significato di ‘spazio vuoto. Ciò che un osservatore inerziale che trasporta un rivelatore di particelle identifica come un vuoto non viene sperimentato come tale da un osservatore che accelera attraverso quello stesso vuoto. Il rivelatore accelerato troverà particelle in equilibrio termico, come un gas caldo“.

Spiega inoltre che, di conseguenza, è ragionevole aspettarsi che qualsiasi nuova fisica che modifichi la struttura della teoria dei campi quantistici a brevi distanze induca deviazioni da questa legge.

Carballo-Rubio continua: “Anche se probabilmente tutti sarebbero d’accordo sul fatto che queste deviazioni debbano essere presenti, non vi è consenso sul fatto che tali deviazioni siano grandi o piccole in un dato quadro teorico. Questo è esattamente il problema che volevamo capire”.

Definire le condizioni che le teorie della gravità quantistica devono soddisfare

I ricercatori hanno analizzato la struttura matematica delle correlazioni di un campo quantico in strutture al di là della teoria dei campi quantistici standard.  Il risultato di questa analisi è stato quindi utilizzato per identificare le tre condizioni necessarie che sono sufficienti per preservare l’effetto Unruh.

Le previsioni a bassa energia delle teorie della gravità quantistica possono essere costruite dai risultati. I risultati di questa ricerca forniscono gli strumenti necessari per fare queste previsioni in un ampio spettro di situazioni.

Avendo potuto determinare come l’effetto di Unruh viene modificato dalle alterazioni della struttura della teoria dei campi quantistici, nonché dalla relativa importanza di queste modifiche, i ricercatori ritengono che lo studio fornisca un solido quadro teorico per discutere e forse testare questo particolare aspetto come una delle possibili manifestazioni fenomenologiche della gravità quantistica.

Ciò è particolarmente importante e appropriato anche se l’effetto non è stato ancora misurato sperimentalmente, poiché si prevede che sarà verificato in un futuro non così lontano.


Ricerca originale: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.041601