venerdì 30 ottobre 2009

Natura Dello Spazio Tempo, Tra Meccanica Quantistica E Relatività

Cari lettori, segnalo dal blog ANTARES un interessante articolo (pubblicato il 29/10/2009) di Luigi Foschini, fisico ricercatore presso l'Osservatorio Astronomico di Brera, sulla natura dello spaziotempo.

La ricerca attuale è concentrata sulla natura dello spaziotempo alla scala di Planck. La teoria della gravitazione quantistica a loop, la teoria delle stringhe e la termodinamica dei buchi neri predicono tutte uno spaziotempo quantizzato, con accordo sull'ordine di magnitudine. La teoria della gravità a loop fa addirittura delle predizioni precise sulla geometria dello spaziotempo alla scala di Planck.

Luigi Foschini tratta, nell'articolo, l'interessante quanto complessa questione, alla luce di una recente osservazione, i cui risultati sono stati pubblicati ieri, 29 ottobre, sulla prestigiosa rivista Nature.



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spazio-tempoIllustrazione del possibile effetto sui fotoni della struttura granulare dello spaziotempo.
Credits: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
(cliccare sull'immagine)


La meccanica quantistica e la teoria della relatività sono i pilastri della fisica moderna. La prima tratta delle questioni su scale piccolissime, mentre la seconda studia che succede a velocità prossime a quelle della luce. Il problema è che però non si riescono a fondere in un'unica teoria. I tentativi fatti sino a oggi sono sempre falliti. Si pensa che quando si arriva alle cosiddette dimensioni di Planck, cioè lunghezze inferiori a 1.6 x 10^-35 m, tempi inferiori a 5.4 x 10^-44 s, e energie superiori a 1.2 x 10^19 GeV, queste due teorie debbano fondersi in un'unica teoria. Varie soluzioni sono state proposte, che si condensano intorno a 2 gruppi, che pure hanno diverse formulazioni: stringhe e quantum gravity. Nella prima si assume che le unità elementari dell'Universo siano delle stringhe, per mezzo delle quali è possibile descrivere qualunque cosa. A seconda di come vibrano, si hanno particelle elementari differenti, come le corde di un violino o di una chitarra possono dare differenti note. Nella seconda, come dice il nome stesso, si cerca di quantizzare la gravità, come si è fatto nel passato per le altre interazioni (elettromagnetica, nucleare forte e debole). Chi ha ragione?

In questi casi, la scienza ricorre alle osservazioni e agli esperimenti, ma il problema è che non si può costruire un laboratorio sulla terra capace di arrivare alle energie di Planck (e non ci riesce neanche il moderno LHC). Ci si è quindi buttati sulle osservazioni astronomiche. Infatti, si pensa che i fotoni di alta energia (raggi gamma) provenienti da sorgenti cosmiche come i blazars e i Gamma-Ray Bursts (GRB), avendo una lunghezza d'onda molto piccola o un'energia molto grande, possano in qualche modo risentire di una eventuale struttura granulare (quantizzata) dello spaziotempo. Anche se l'effetto singolo è minuscolo, se sommato con tutti gli effetti che si possono ottenere durante un tragitto di miliardi di anni luce, potrebbe risultare in una quantità misurabile. Alcune teorie suggeriscono un ritardo, altre un anticipo sui tempi previsti dai meccanismi di emissione per queste sorgenti. In altre parole, la granularità dello spaziotempo comporterebbe una violazione della costanza della velocità della luce, conosciuta in termini tecnici come dispersione della velocità dei fotoni, una violazione dell'invarianza di Lorentz (Lorentz Invariance Violation). In particolare, le eccezionali prestazioni del satellite Fermi, possono essere all'altezza desiderata (il Large Area Telescope LAT opera nella banda di energia 0.1-300 GeV).

Così infatti è stato: lo scorso 10 maggio è scoppiato un GRB (indicato con 090510, redshift 0.903), che è stato osservato con Fermi. In particolare, la cosa che ha colpito subito è che c'era un fotone di alta energia, 31 GeV, emesso quasi 1 secondo dopo (0.829 s) lo scoppio del GRB. In ritardo, ma non sufficiente secondo le teorie attuali che predicono questa violazione della Lorentz Invariance. In altre parole, se volessimo attribuire questo ritardo a tutti i costi alla granulazione dello spaziotempo, occorrerebbe una energia di Planck maggiore di quella prevista. Quindi, qualcosa non torna nelle teorie precedenti e questa è la prima misura di questo genere che consente di porre un serio dubbio su certe teorie. Dico su certe, perché in altre varianti della gravità quantistica (per esempio la loop quantum gravity) questo effetto di dispersione della velocità dei fotoni non è previsto. Ma intanto possiamo cominciare a buttare nel cestino un po' di carta... I risultati di questa osservazione sono stati pubblicati oggi sulla prestigiosa rivista Nature, nella sezione Advanced Online Publication (si veda anche la press release di Nature e della NASA).

C'è anche da dire che parte di questi 0.829 s di ritardo potrebbe essere dovuto al fatto che la componente di alta energia si genera dopo lo scoppio del GRB, per l'interazione della componente principale (prompt) con l'ambiente circostante (tesi proposta dai colleghi e amici Ghirlanda, Ghisellini e Nava). Rimane tuttavia un ritardo rispetto ai modelli astrofisici, ma ancora non sufficiente se dovuto a una dispersione di velocità dei fotoni. Anzi, la discrepanza è anche maggiore rispetto al caso precedente.

Quindi, comunque la si metta, sta di fatto, che lo spaziotempo resta ancora un continuum e la velocità della luce nel vuoto una costante. La relatività è salva, ma continua a sbattere contro la meccanica quantistica. Chi riuscirà a trovare la soluzione a questo enigma? Quando sapremo cosa sono veramente lo spazio e il tempo?


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Interessante, anche se datato al 2004, l'articolo di Carlo Rovelli.

15 commenti:

  1. Un articolo di ottima divulgazione scientifica. Il tema trattato non è dei più facili: il tentativo di unificare le due teorie non è ancora riuscito. Lo spazio e il tempo continuano a custodire il loro segreto.

    Un post affascinante.

    Buon week end!

    Arte

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  2. Concordo con Artemisia. Non sono ferrato in fisica, sono un matematico e nemmeno troppo preparato.

    L'argomento però mi affascina e il post mi ha offerto l'occasione di approfondire qualcosina, che avevo accantonato da tempo.

    Grassssie, come al solito.
    Ruben

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  3. Ciao Annarita.
    Il post è molto interessante. La teoria delle stringhe e la quantizzazione del campo gravitazionale sono argomenti molto avanzati della fisica contemporanea. Ci sono molte porte aperte ai vari quesiti che hai trattato nel post e speriamo che gli studi in merito proseguano con profitto.

    ps: per la mia laurea feci una tesina sui Gamma Ray Burst e l'argomento mi affascinò molto

    Ciao e complimenti ancora per l'impegno e la serietà.

    Francesco

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  4.  Leggendo il tuo post rifletto sugli avanzi della fisica, della matematica, delle ricerche... sulla forza della mente umana e sulla sua possibilità di evolversi in modo rapido.
    Buon fine settimana, Annarita.

    Rino, poco preparato

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  5. Ho acquistato di recente un volume di Peter Woit , fisico che lavora alla Columbia University, in cui si afferma il fallimento della teoria delle stringhe, il predominio intellettuale di cui ha goduto per vent'anni questo (insieme) di teorie e della sua incapacità di fare predizioni. Insomma, per questo autore è un fallimento. A onor del vero gli ho dato solo un'occhiata.
    Certo, ora con questi dati osservazionali, il 8duro) mestiere di teorico ha qualche sperone cui attaccarsi.
    Il tuo articolo è semplicemente...luminoso! anche se non ne conosco esattamente il livello energetico. Comunque nell'ambito dei giga, non si sfugge.
    :)
    paopasc

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  6. Francesco, mi auguro anch'io che il prosieguo degli studi possa essere proficuo. Le questiuoni in gioco sono molto importanti.

    In effetti i GRB sono fenomeni affascinanti...quindi sei un fisico che si  interessa di astronomia e cosmologia. Ambiti affascinanti quanto complessi.

    La mia tesi di laurea si è interessata invece di Algebra delle correnti e teoremi a bassa energia, ( mi riferisco alle correnti adroniche,scattering Compton, decadimenti non leptonici di adroni e iperoni, pioni soffici, decadimenti k non leptonici ecc).

    A presto.
    annarita

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  7. Scusa, ruben, mi era sfuggito il tuo commento. Macché matematico poco preparato!!! Lo dici per sentirti fare i complimenti, vero?

    Sono contenta che l'argomento ti affascini!

    A presto e buona domenica.
    annarita

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  8. "Avanzi", Rino? Io leggo "avanzamenti" va bene? Mi sembra sia quello il senso della tua affermazione.

    Salutoni
    annarita

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  9. Paolo ti riferisci a "Not even wrong", in italiano "Neanche sbagliata" che ha suscitato non poche polemiche...

    Dalla lettura del libro, sorgono interrogativi e affermazioni del tipo: " ...l'espressione "teoria delle superstringhe" non si riferisce in realtà a una teoria ben definita, ma alla speranza irrealizzata che ne possa esistere una. Si tratta, quindi, di una "teoria" che non fa predizioni, nemmeno quelle sbagliate, ed è questa stessa mancanza di falsificabilità ad aver permesso a tutto il settore di sopravvivere e prosperare. Una situazione del genere solleva interrogativi importanti, che prenderemo in esame. Un argomento di studio può essere considerato "scienza" se non fa alcuna predizione? Quando un filone di ricerca molto speculativo entra a far parte della scienza, e quando no? Cosa capita quando la speculazione non soggetta ai vincoli dell'esperimento si impadronisce del tutto di un settore scientifico?"

    Beh, una questione ostica quella posta da Woit. Non ci resta che seguire i risultati delle ricerche....

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  10. utente anonimo1 novembre 2009 04:32

    rosy: la fisica mi affascina molto e ho visitato il link  spazio tempo quantizzato
    Un bacione

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  11. utente anonimo2 novembre 2009 15:40

    rosy: hai ragione a dire che questi argomenti non sono semplici.
    Devi sapere che mio genero è un appassionato di questa materia  e ogni tanto mi da una lezione...un mese fa abbiamo parlato dei buchi neri e della velocità della luce. cioè ha parlato...ma sa che mi piace ascoltarlo.
    Un bacione

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  12. Annarita, questa volta ci hai dato "pesante". Stupenda!
    Sai quali sono stati i miei interessi culturali, e ritrovarmeli davanti accompagnati da rimandi e articoli pertinentissimi mi ha dato molto più di una boccata d'aria.
    La conciliazione tra Meccanica Quantistica e Relatività Generale tiene ancora banco, se associamo il bosone Higs e la possibile conferma della sua esistenza, correremo diritti verso una Teoria Del Tutto.

    Ritrovare l'articolo di Rovelli, che mi ero perso, mi ha ridato la carica. Anche se, come dici tu, è un po' datato, ha la forza della chiarezza.

    Mi è difficile trovare una parola saluto che sia adeguata.
    Ciao Annarita.
    Angelo 

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  13. Argomenti affascinanti e anche se mi sento parecchio distante, seguo con interesse gli sviluppi dell'LHC e tutto cio che ruota attorno alla fisica delle alte energie. Vedremo che accade.
    Saluti e complimenti per il post. Beppe S.

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  14. Ciao, Beppe, bentrovato! Argomenti affascinanti e complessi. Speriamo bene che la ricerca possa portare ai risultati sperati.

    A presto!
    annarita

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  15. Eppure nella meccanica quantistica c'è parecchio della relatività:

    http://vixra.org/pdf/1403.0824v1.pdf

    Saluti.

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