La relatività generale, la teoria della gravità di Einstein, ci fornisce una base utile per modellare matematicamente l'universo su larga scala - mentre la teoria quantistica ci fornisce una base utile per modellare la fisica delle particelle subatomiche e la probabile fisica su piccola scala ad alta densità di energia di l'universo primordiale - nanosecondi dopo il Big Bang - che la relatività generale modella solo come una singolarità e non ha nient'altro da dire al riguardo.
Le teorie della gravità quantistica potrebbero avere altro da dire. Estendendo la relatività generale in una struttura quantizzata per lo spazio-tempo, forse possiamo colmare il divario tra fisica su piccola e grande scala. Ad esempio, esiste una relatività doppiamente speciale.
Con la relatività speciale convenzionale, due diversi sistemi di riferimento inerziali possono misurare diversamente la velocità dello stesso oggetto. Quindi, se sei su un treno e lanci una palla da tennis in avanti, potresti misurarla muovendola a 10 chilometri all'ora. Ma qualcun altro in piedi sulla piattaforma della stazione ferroviaria a guardare il tuo treno che passa a 60 chilometri all'ora, misura la velocità della palla a 60 + 10 - cioè 70 chilometri all'ora. Dare o prendere alcuni nanometri al secondo, entrambi sono corretti.
Tuttavia, come ha sottolineato Einstein, fai lo stesso esperimento in cui fai brillare un raggio della torcia, piuttosto che lanciare una palla, in avanti sul treno - sia tu sul treno che la persona sulla piattaforma misurano la velocità del raggio della torcia come la velocità della luce - senza quei 60 chilometri aggiuntivi all'ora - e entrambi avete ragione.
Risolve che per la persona sulla piattaforma, i componenti della velocità (distanza e tempo) vengono cambiati sul treno in modo che le distanze vengano contratte e il tempo dilatato (ovvero orologi più lenti). E per la matematica delle trasformazioni di Lorenz, questi effetti diventano più evidenti tanto più velocemente del treno. Si scopre anche che aumenta anche la massa di oggetti sul treno - anche se, prima che qualcuno lo chieda, il treno non può trasformarsi in un buco nero anche al 99,9999 (ecc.) Percento della velocità della luce.
Ora, la relatività doppiamente speciale, propone che non solo la velocità della luce sia sempre la stessa indipendentemente dal tuo quadro di riferimento, ma anche le unità di massa ed energia di Planck sono sempre le stesse. Ciò significa che gli effetti relativistici (come la massa che sembra aumentare sul treno) non si verificano su scala Planck (cioè molto piccola) - sebbene su scale più grandi, la relatività doppiamente speciale dovrebbe fornire risultati indistinguibili dalla relatività speciale convenzionale.
La relatività doppiamente speciale potrebbe anche essere generalizzata verso una teoria della gravità quantistica che, una volta estesa dalla scala di Planck, dovrebbe fornire risultati indistinguibili dalla relatività generale.
Si scopre che sulla scala di Planck e = m, anche se su scale macro e = mc2. E su scala Planck, una massa di Planck è 2.17645 × 10-8 kg - presumibilmente la massa di un uovo di pulce - e ha un raggio di Schwarzschild di lunghezza Planck - il che significa che se comprimessi questa massa in un volume così piccolo, diventerebbe un buco nero molto piccolo contenente un'unità di energia Planck.
Per dirla in altro modo, sulla scala di Planck, la gravità diventa una forza significativa nella fisica quantistica. Anche se in realtà, tutto ciò che stiamo dicendo è che esiste un'unità di forza gravitazionale di Planck tra due masse di Planck quando è separata da una lunghezza di Planck - e comunque, una lunghezza di Planck è la distanza che la luce si muove all'interno di un'unità di tempo di Planck!
E poiché un'unità di energia Planck (1,22 × 1019 GeV) è considerata la massima energia delle particelle - è allettante considerare che ciò rappresenti le condizioni previste nell'epoca di Planck, essendo il primo stadio del Big Bang.
Tutto sembra terribilmente eccitante, ma questa linea di pensiero è stata criticata come un semplice trucco per far funzionare meglio la matematica, rimuovendo importanti informazioni sui sistemi fisici in esame. Rischi anche di minare i principi fondamentali della relatività convenzionale poiché, come indicato nel documento di seguito, una lunghezza di Planck può essere considerata una costante invariabile indipendente dal quadro di riferimento di un osservatore mentre la velocità della luce diventa variabile a densità di energia molto elevate.
Tuttavia, dal momento che nemmeno il Large Hadron Collider è in grado di fornire prove dirette su ciò che potrebbe o non potrebbe accadere su scala Planck - per ora, far funzionare meglio la matematica sembra essere il modo migliore per andare avanti.
Ulteriori letture: Zhang et al. Termodinamica del gas fotonico in doppia relatività speciale.
