09/10/24

Perché si cerca il gravitone? ***

Vi presento una visione molto personale e sicuramente troppo semplicistica. Spero, comunque, che faccia pensare e che qualcuno riesca a contestarla o ad accettarla con ragionamenti più raffinati.

La teoria della relatività generale sembra spiegare "tutti" i fenomeni macroscopici dell'Universo. La meccanica quantistica sembra, invece, spiegare il comportamento del microcosmo. Siamo  già di fronte a una situazione imbarazzante... Le macrostrutture dell'Universo sono tutte formate da micro particelle; ne dovrebbe seguire che ciò che capita nel macrocosmo debba essere la risultante di ciò che capita nel microcosmo.

In modo molto semplicistico, potremmo continuare a pensare di tenere separati i due campi della fisica. Una cosa è la gravità einsteniana e un'altra cosa sono le interazioni tra particelle. E dire: "Così va il mondo...". La fisica, però, non può permettersi di fare un salto così importante senza trovare una spiegazione o un legame logico tra di esse. Non si tratta certo di voler essere deterministici, ma di cercare di unificare la realtà del Cosmo, sempre che ne esista una...

Prendiamo ad esempio, il campo elettromagnetico. Esso da un lato assomiglia al campo gravitazionale; basterebbe sostituire alla massa la carica elettrica e tutto sarebbe simile. Entrambi i campi, infatti, hanno un raggio d'azione infinito e quindi non sono vincolati a una distanza microscopica tra i due "oggetti" che li subiscono. Lo studio delle micro particelle ha, però, mostrato che il campo elettromagnetico può essere spiegato perfettamente come campo quantistico. Questa parola significa che la forza subita dai due oggetti deve essere un'interazione di tipo quantistico, ossia una continua eccitazione del campo in cui, ad esempio, un elettrone comunica con un altro attraverso una particella mediatrice, il fotone. E questa comunicazione avviene mediante qualcosa di discreto e non continuo, il "quanto", appunto.

Perché, allora, il campo gravitazionale non dovrebbe essere qualcosa di simile? Basta sostituire, di conseguenza, carica con massa. Attenzione, però... l'interazione elettromagnetica (meglio chiamarla interazione e non forza, dato il modo con cui si generano i fenomeni osservabili) NON ha assolutamente bisogno di uno spaziotempo curvo per agire, mentre sembrerebbe che quello gravitazionale ne abbia una necessità assoluta. D'altra parte la curvatura dello spaziotempo riesce a spiegare tutto ciò di cui si occupa, in modo perfetto. Dovrebbe allora farlo anche a livello microscopico, ma ciò non si riesce a descrivere: le interazioni forte, debole ed elettromagnetica avvengono senza bisogno di curvatura. Si dice che ciò è dovuto alla debolezza della interazione gravitazionale, ma questo è un modo per evitare una vera soluzione.

Mi permetto di fare un esempio estremamente banalizzato per cercare di spiegare come l'interazione gravitazionale che si manifesta come deformazione dello spazio tempo possa nascere da una visione quantistica.

Immaginiamo di fabbricare in qualche modo un enorme numero di particelle soggette alla meccanica quantistica. Esse, ovviamente, possono trovarsi in un certo stato quantico che può essere scoperto solo attraverso una misura. Ammettiamo che esse possano trovarsi  in due regioni di spazio. Ne segue che ognuna di esse può essere nella prima o nella seconda regione. Sappiamo anche che una particella può essere sia a destra che a sinistra contemporaneamente e, di conseguenza, le particelle si trovano, in effetti, in entrambe le posizioni. Le due regioni hanno comunque una massa che può favorire sia una zona che l'altra, ma non lo sappiamo di certo dato che tutte le possibilità sono valide.

Due masse devono curvare lo spazio tempo, ma vi sono infinite possibilità che descrivono diversi campi gravitazionali. Dobbiamo quindi ammettere che tutti i campi gravitazionali sono possibili prima di effettuare la misura? Se così fosse, allora anche il campo gravitazionale sarebbe soggetto alle regole quantistiche.  

Nel macrocosmo le masse sono qualcosa di misurabile a priori e possiamo attribuire a loro la deformazione spaziotemporale, ma lo stesso non potrebbe certo accadere nel microcosmo, in cui la distribuzione delle masse non è ancora assolutamente stabilita. In poche parole, anche il campo gravitazionale si comporta come i campi delle micro particelle. Per potere agire attraverso la deformazione spaziotemporale dobbiamo effettuare una misura quantistica.

Ne segue che la relatività può essere applicata solo dopo il collasso delle funzioni d'onda. Ma prima cosa succede? Posso permettermi di dire che l'unica soluzione veramente logica sarebbe proprio considerare anche il campo gravitazionale come uno stato quantico e, quindi, potrebbe (anzi "dovrebbe") essere quantizzato. Ne seguirebbe che la deformazione spaziotemporale macroscopica deriverebbe direttamente dalle interazioni quantistiche. La faccenda non sarebbe poi così assurda, se ci convincessimo che la deformazione dello spaziotempo fosse un qualcosa che muta proprio la metrica dello spaziotempo e non un qualcosa (lo spaziotempo, appunto) considerato come teatro delle azioni. Lo spaziotempo non è uno "sfondo" in cui si muovono le cose, ma è la metrica che descrive le varie interazioni.

In conclusione, ben venga la relatività generale che ci dice, in pratica e con grande accuratezza, come una deformazione spaziotemporale di tipo puramente geometrico (tensoriale in particolare) DESCRIVA perfettamente la realtà dei fatti, ma questo non dice niente sul COME ciò capiti. 

La porta per introdurre un campo quantico anche per la gravità non è assolutamente escluso, ma, per il momento, non vi sono strumenti in grado di misurare un campo del genere. Se esso esistesse, però, diventerebbe simile al campo elettromagnetico e avrebbe bisogno di una particella mediatrice che trasporti l'informazione, al pari del fotone... il gravitone appunto!

Possiamo dire, quindi, che la gravità non è una forza, in quanto è solo una descrizione degli effetti di un campo quantistico. Le interazioni che avvenissero in tale campo diventerebbero una forza nella visione quantistica della realtà.

Purtroppo non esistono più esperimenti mentali, ma simulazioni al computer (basta leggere gli articoli che escono sempre più rapidamente e... frettolosamente) e senza un'intelligenza REALE a poco servono quelle artificiali. 

Attendo fiducioso critiche, commenti e stimoli...

6 commenti

  1. Alexander

    ciao Enzo, da quel che ho sentito però avere una prova diretta del gravitone è quasi impossibile per la razza umana (credo serva una cern grande come il sistema solare) quindi dovremo accontentarci di prove indirette che però non hanno lo stesso sapore..
    Lato gravità quantistica mi pare di capire che il vero problema difficilissimo da risolvere non è quantizzare lo spazio-tempo (cosa fattibile considerandolo semplicemente come un elemento di sfondo che non interagisce con le altre forze) bensì tenere conto del fatto che esso varia al variare della massa che a sua volta varia al variare dello spazio tempo stesso.
    Questo tra l'altro è un problema per tutta la meccanica quantistica, credo che tutte le interezioni vengano descritte considerandolo lo spazio tempo come elemento di sfondo che non interagisce in nessuna maniera se non adeguando le formule in riferimento alla relatività ristretta...
    Tra l'altro un importante spunto di riflessione può essere come viene trattato il tempo in una teoria quantistica dello spazio.. lo spazio tempo così come lo conosciamo noi fatto di 3 dimensioni spaziali e 1 temporale potrebbe essere solo una proprietà emergente dell'interazione di quanti di spazio dove il tempo non è elemento essenziale...
    oggi mi è arrivato il libro di rovelli sulla gravità quantistica a loop, non vedo l'ora di leggerlo per vedere cosa ne capisco

  2. Alexander

    Ps. Mi permetto un ultimo spunto di riflessione (visto che ne avevi chiesto qualcuno), mi ha lasciato stupefatto venire a sapere (ma non sono certo che sia vero) che nel mondo sono solo poche centinaia di persone a fare ricerca sulla gravità quantistica con modelli diversi da quelli proposti dalla teoria delle stringhe ( forse se in tutti questi anni non ha prodotto alcun risultato si potrebbe anche valutare di lasciarsela alle spalle)

  3. grazie delle riflessioni Alexander... Tu parli di "sfondo" in cui si muovono le cose. In realtà, dovremmo immaginarlo come una descrizione metrica variabile. Ci vorrebbe una vera mente!

  4. massimo delpa

    Ho letto che alcuni modelli propongono che lo spaziotempo curvo sia solo apparente, potrebbe anche essere una sorta di tapirulan a velocità variabile in direzione del centro di massa, in ogni caso servirebbero dimensioni extra per spiegarne, in qualche modo, il "trascinamento" da parte delle masse. Il gravitone sarebbe sicuramente una spiegazione molto più "semplice" e comprensibile che ci permetterebbe di restare  nei paraggi nella realtà che "conosciamo", forse.

  5. caro Massimo,

    io sono della tua idea. Capire cosa sia la realtà, però, resta sempre un grande interrogativo. Dovremmo forse cambiarne il significato più profondo...

  6. Guido

    Pur essedo parte della realtà non è detto che l'uomo abbia gli strumenti per comprenderla. Forse non possiamo fare altro che comprenderne la rappresentazione che di essa ci consente la nostra mente.

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