La nostra realtà fondamentale è continua o è suddivisa in piccoli frammenti discreti?
Chiesto in altro modo, lo spazio-tempo è liscio o grosso? La domanda si concentra sul cuore delle teorie fondamentali della fisica, collegando il modo in cui spazio e tempo si intersecano con il materiale della nostra esistenza quotidiana.
Tuttavia, testare sperimentalmente la natura dello spazio e del tempo è stato impossibile, a causa delle energie estreme necessarie per sondare scale così minuscole nell'universo. Cioè - fino ad ora. Un team di astronomi ha proposto un nuovo ambizioso piano per utilizzare una flotta di minuscoli veicoli spaziali per rilevare sottili cambiamenti nella velocità della luce, segno distintivo di alcune delle teorie più strabilianti del cosmo. Se lo spazio e il tempo fossero effettivamente suddivisi in piccoli pezzi, la ricerca potrebbe spianare la strada a una comprensione completamente nuova della realtà.
Grosso contro liscio
La domanda di "cos'è spazio e tempo?" risale a migliaia di anni fa e la nostra comprensione moderna poggia su due pilastri stranamente incompatibili: la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein.
Nella relatività generale, spazio e tempo sono intrecciati nel tessuto unificato di spazio tempo, lo stadio quadridimensionale che sta alla base del nostro universo. Questo spazio-tempo è continuo, il che significa che non ci sono spazi vuoti da nessuna parte; è tutta una trama liscia. Lo spazio-tempo non è solo una piattaforma per noi per recitare le nostre parti; è anche un giocatore: la flessione e la deformazione dello spazio-tempo ci danno la nostra esperienza di gravità.
Nell'angolo opposto, un insieme di regole chiamate meccanica quantistica governa le interazioni delle cose minuscole nell'universo. La meccanica quantistica si basa sull'idea che non gran parte della nostra esperienza quotidiana è fluida e continua, ma pesante. In altre parole, è quantizzato. Energia, quantità di moto, rotazione e così tante altre proprietà della materia arrivano solo in piccoli pacchetti discreti.
Inoltre, anche la meccanica quantistica si divide in due campi. Da un lato, abbiamo le particelle familiari della nostra esistenza quotidiana, come elettroni e protoni, che interagiscono e fanno altre cose interessanti. Questi sono ovviamente molto pesanti, in quanto sono "cose" discrete. D'altra parte, abbiamo i campi quantistici. Nel mondo subatomico, ogni tipo di particella ha il suo campo che si diffonde nello spazio-tempo; quando pensiamo alle particelle, pensiamo a piccole vibrazioni nei loro campi, che a loro volta interagiscono con altre particelle e fanno altre cose interessanti. I campi sono comprensibilmente molto lisci.
Pezzi di tempo e spazio
Quindi, abbiamo alcune immagini fluide del nostro universo e alcune grosse. Quando si tratta dello spazio-tempo stesso, possiamo facilmente immaginare di estendere i concetti di meccanica quantistica fino alla loro conclusione logica e di stabilire che spazio e tempo sono discreti: il tessuto stesso della realtà è diviso come pixel sullo schermo di un computer e ciò che sperimentiamo come movimento regolare e continuo non è altro che una griglia di pixel discreti alla scala più piccola.
Molte teorie sull'unione della meccanica quantistica e della relatività generale, come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica ad anello, prevedono una qualche forma di spazio-tempo discreto (sebbene le previsioni precise, le interpretazioni e le implicazioni di quel grosso grado siano ancora poco comprese). Se potessimo trovare prove di spazio-tempo discreto, non solo riscriverebbe completamente la nostra comprensione della realtà, ma aprirebbe anche le porte a una rivoluzione nella fisica.
Questa discrezione può rivelarsi solo nei modi più sottili; altrimenti lo avremmo notato ormai. Varie teorie hanno predetto che se lo spazio-tempo fosse davvero grosso, la velocità della luce potrebbe non essere del tutto costante - potrebbe spostarsi leggermente leggermente a seconda dell'energia di quella luce. La luce ad alta energia ha una lunghezza d'onda più corta e quando la lunghezza d'onda diventa abbastanza piccola, può "vedere" il grosso dello spazio-tempo. Immagina di camminare sul marciapiede: con i piedi grandi non noti piccole crepe o protuberanze, ma se avessi i piedi microscopici inciamperesti su ogni piccola imperfezione, rallentandoti. Ma questo spostamento è incredibilmente piccolo; se lo spazio-tempo è discreto, è su una scala più di un miliardo di volte più piccola di quella che possiamo attualmente sondare nei nostri esperimenti più potenti.
Una ricerca del Graal
accedere Alla corte di re Artù: il laboratorio internazionale di astronomia a raggi gamma per l'esplorazione quantistica dello spazio-tempo. Un team di astronomi ha presentato una proposta per questa missione in risposta a un invito a presentare nuove idee per la caccia allo spazio-tempo da parte dell'Agenzia spaziale europea (ESA). La loro proposta è dettagliata nel database arXiv, il che significa che non è stata ancora rivista dai colleghi del settore.
Ecco lo scoop: Per vedere se la velocità della luce cambia con energie diverse, dobbiamo raccogliere un'enorme quantità di luce a più alta energia nell'universo e GrailQuest spera di fare proprio questo.
GrailQuest è costituito da una flotta di veicoli spaziali piccoli e semplici (il numero esatto varia, da poche decine se i satelliti sono più grandi a ben più di qualche migliaio se sono più piccoli) per monitorare costantemente il cielo alla ricerca di esplosioni di raggi gamma. Queste sono alcune delle esplosioni più potenti dell'universo. Come suggerisce il loro nome, queste esplosioni rilasciano abbondanti quantità di fotoni ad alta energia, come i raggi gamma. Questi raggi gamma viaggiano attraverso miliardi di anni prima di raggiungere la flotta di veicoli spaziali, che registrano l'energia dei raggi gamma e le differenze nei tempi mentre lo scoppio bagna la flotta.
Con sufficiente precisione, GrailQuest potrebbe essere in grado di rivelare se lo spazio-tempo è discreto. Almeno, ha la giusta configurazione: sta esaminando la luce a più alta energia (che è maggiormente influenzata dalle teorie che prevedono che lo spazio-tempo sia grosso); i raggi gamma viaggiano da miliardi di anni luce (permettendo all'effetto di accumularsi nel tempo); e i veicoli spaziali sono abbastanza semplici da produrre in massa (così l'intera flotta può vedere quanti più eventi possibile, in tutto il cielo).
Come cambierebbero le nostre concezioni della realtà se GrailQuest dovesse trovare prove della discrezione dello spazio-tempo? È impossibile dirlo: le nostre attuali teorie sono su tutta la mappa quando si tratta di implicazioni. Ma non importa cosa, dovremo aspettare. Questa serie di proposte ESA è prevista per il lancio tra il 2035 e il 2050. Mentre stiamo aspettando, possiamo discutere se il tempo trascorso da adesso in poi è sostanzialmente regolare o grosso.
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Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Space Radioe autore di Il tuo posto nell'universo.
