Un’illustrazione mostra un universo disordinato. La gravità potrebbe derivare dall’entropia? Una nuova ricetta per la gravità potrebbe aiutare a risolvere alcuni dei più grandi misteri dell’universo. Suggerisce che il concetto di “gravità quantistica” potrebbe derivare dall’entropia, risolvendo forse i puzzle posti dall’elusivo universo oscuro — e, se vero, questa nuova teoria potrebbe finalmente unire la relatività generale di Albert Einstein con il regno quantistico.
Dall’inizio del XX secolo, la teoria della relatività generale di Einstein è stata la migliore descrizione di come funziona la gravità. Tuttavia, proprio quando Einstein ha sviluppato la relatività generale, gli scienziati hanno anche sviluppato le fondamenta della meccanica quantistica. Da allora, entrambe le teorie sono state testate, riviste e migliorate, resistendo alla prova del tempo e conquistando gli scettici nella comunità scientifica. C’è un problema, però — un grande problema. Non possono funzionare insieme. Man mano che entrambe le teorie sono state perfezionate, continuano a sfidare i tentativi di unificarle. Una “teoria del tutto” che comprenda sia la relatività generale che la fisica quantistica ha frustrato gli sforzi di menti grandi come Stephen Hawking, e persino Einstein stesso. Uno dei principali ostacoli riguarda il fatto che non esiste una teoria della “gravità quantistica”.
Ma è qui che entra in gioco Ginestra Bianconi, professoressa di Matematica Applicata alla Queen Mary University di Londra. Suggerisce un quadro che vedrebbe la gravità quantistica derivare dalla cosiddetta “entropia relativa quantistica”, un concetto che misura quanto due stati quantistici siano dissimili.
Relatività generale e l’universo oscuro
Sviluppata nel 1915, la relatività generale suggerisce che la gravità sorge perché i corpi con massa causano la deformazione del tessuto dello spaziotempo (l’unificazione quadridimensionale di spazio e tempo). Maggiore è la massa di un oggetto, più estrema è la deformazione dello spaziotempo e, quindi, più potente è l’influenza gravitazionale dell’oggetto. Questo è stato verificato più e più volte, permettendo così alla relatività generale di superare la teoria della gravità di Newton come la migliore descrizione dell’universo su scala cosmica.
Tuttavia, la relatività generale non può spiegare tutto. La materia oscura, la misteriosa sostanza che supera la materia ordinaria di un fattore di cinque, e l’energia oscura, la componente sconosciuta dell’universo che guida la sua espansione accelerata, per esempio, non sono spiegate dalla relatività generale. Questo è un grosso problema perché l’energia oscura rappresenta il 68% della materia e dell’energia totali nell’universo, e la materia oscura rappresenta un altro 27% circa. Ciò significa che l’”universo oscuro” rappresenta circa il 95% del bilancio materia-energia del cosmo, quindi la “roba” che possiamo descrivere comodamente con la relatività generale rappresenta solo il 5% dell’energia e della materia nell’universo. Poi, c’è il fatto che la teoria della gravità di Einstein non “gioca bene” con la fisica quantistica.
Il nuovo quadro — o “ricetta” per la gravità, se vuoi — prende la metrica dello spaziotempo dalla relatività generale, che descrive la geometria dello spazio e del tempo basata sulle distanze e sugli intervalli tra gli eventi, e la tratta come un’entità matematica chiamata operatore. Gli operatori sono usati nella fisica quantistica per eseguire trasformazioni sugli stati quantistici derivanti da cambiamenti nei fattori fisici. Questo operatore basato sulla relatività generale porta a una nuova “azione entropica” e a equazioni di Einstein modificate. A basse energie e in regioni dello spazio dove c’è poca curvatura, e quindi poca gravità, queste equazioni replicano quelle della relatività generale.
Questa nuova ricerca va oltre, però. Predice l’emergere di una piccola costante cosmologica di valore positivo. Questo è significativo perché il suo valore si allinea meglio con le osservazioni dell’espansione accelerata dell’universo sotto l’influenza dell’energia oscura rispetto ad altre teorie attuali. Inoltre, qualcosa chiamato “campo G” emerge da questa teoria che potrebbe spiegare l’influenza gravitazionale della materia oscura. “Questo lavoro propone che la gravità quantistica abbia un’origine entropica e suggerisce che il campo G potrebbe essere un candidato per la materia oscura,” ha detto Bianconi in una dichiarazione. “Inoltre, la costante cosmologica emergente prevista dal nostro modello potrebbe aiutare a risolvere la discrepanza tra le previsioni teoriche e le osservazioni sperimentali dell’espansione dell’universo.”
Ovviamente, è ancora molto presto per questa teoria, ma dato quanto profonde potrebbero essere le sue implicazioni per la nostra comprensione fondamentale del cosmo, probabilmente vale la pena esplorarla.