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Il cosmo è diviso in due scale fondamentali: l'immensamente grande (Classico) e l'infinitamente piccolo (Quantistico). Nel corso degli ultimi secoli, astronomi e fisici hanno tentato incessantemente di descrivere questi due mondi. Newton ha codificato le leggi del moto e della gravità, mentre la termodinamica ha spiegato il trasferimento di energia e calore.

Tuttavia, è nel XX secolo che la nostra comprensione ha fatto un balzo in avanti. Le teorie della Relatività Speciale e Generale di Einstein hanno ridefinito lo spazio-tempo e la gravità; la Meccanica Quantistica e il Modello Standard hanno svelato le particelle fondamentali e le forze della natura; la teoria delle stringhe ha tentato un'unificazione.

In un universo dove il tempo si dilata e le particelle danzano al ritmo della probabilità, ci troviamo all'intersezione delle due più grandi teorie della fisica: la Teoria della Relatività e la Meccanica Quantistica. Senza di esse, la nostra comprensione dell'Universo sarebbe quasi nulla. Eppure, per quanto rivoluzionarie, queste teorie sono fondamentalmente incompatibili.

"Tutto dovrebbe essere reso il più semplice possibile, ma non più semplice." ~ Albert Einstein

La Teoria del "Grande"

La nostra storia inizia nel 1905, quando un impiegato dell'ufficio brevetti presentò una visione radicale dell'Universo.

La Relatività Speciale

Questa teoria spiega come la velocità influenzi lo spazio, il tempo e la massa. Stabilisce inoltre che la massa è intercambiabile con l'energia, come definito dalla celebre equazione:

E = mc^2$

Secondo questa equazione, man mano che un oggetto si avvicina alla velocità della luce, la sua massa tende all'infinito e l'energia necessaria per muoverlo aumenta esponenzialmente, rendendo impossibile per la materia superare tale limite di velocità.

Un aspetto cruciale è la Dilatazione Temporale: quando un oggetto si muove molto velocemente, il tempo scorre più lentamente rispetto a quando è a riposo.

Sebbene gli esseri umani non possano viaggiare vicino alla velocità della luce, questo fenomeno è stato verificato a livelli minori. L'astronauta Scott Kelly ha trascorso quasi un anno sulla Stazione Spaziale Internazionale mentre il suo gemello, Mark Kelly, era sulla Terra. Mark è invecchiato impercettibilmente più velocemente di Scott.

La Relatività Generale

Nel 1915, Einstein espans la sua visione con la Relatività Generale. Propose che l'Universo sia composto da 4 dimensioni dove spazio e tempo sono intrecciati in un continuum: il tessuto dello spaziotempo.

A differenza di Newton, che vedeva la gravità come una forza "azione a distanza", Einstein propose che la gravità è la curvatura dello spaziotempo stesso.

Immagina un telo elastico teso. Se vi si appoggia un oggetto pesante (come un pianeta), si crea una depressione. Un oggetto più piccolo (come una luna) che passa lì vicino seguirà la curvatura creata dalla massa maggiore. Questa attrazione è ciò che chiamiamo gravità.

Un'altra conferma spettacolare è la Lente Gravitazionale: la luce si piega attorno agli oggetti massicci (galassie, buchi neri) seguendo la curvatura dello spazio, un fenomeno regolarmente osservato dagli astronomi.

La Teoria del "Piccolo"

Parallelamente, fisici come Planck, Bohr ed Einstein gettarono le basi per spiegare il mondo subatomico. Il risultato più grande di questo sforzo è il Modello Standard.

Il Modello Standard classifica i mattoni della natura in due categorie:

- Fermioni: Le particelle di materia (divisi in Quark e Leptoni). - Bosoni: Le particelle portatrici di forza (responsabili delle forze forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale).

Questa teoria fornisce un quadro matematico per prevedere le probabilità dei risultati nei sistemi quantistici. È nota per le sue previsioni controintuitive, come la sovrapposizione degli stati e l'entanglement (o "spettrale azione a distanza"), dove due particelle rimangono connesse istantaneamente indipendentemente dalla distanza. Nonostante la sua stranezza, la sua validità non è mai stata confutata sperimentalmente.

Lo Scontro tra Titani

Qui sorge il problema che affligge i fisici da un secolo. La Relatività governa le strutture su larga scala; la Meccanica Quantistica governa l'atomo. Quando si cerca di applicarle insieme, le matematiche crollano.

1. La Natura della Realtà

La Relatività considera gli oggetti come masse definite nello spazio-tempo e prevede risultati deterministici. La Meccanica Quantistica vede la materia come onde di probabilità e fornisce risultati incerti. Applicare la Relatività alla scala quantistica produce risultati privi di senso.

2. Il Continuum Spazio-Temporale

Einstein proposed that gravity is, in fact, the curvature of the space-time.

Per Einstein, lo spazio è continuo e liscio. Per la meccanica quantistica, l'universo è "granulare" o quantizzato (fatto di pacchetti discreti). La Relatività Generale descrive la gravità come una geometria continua, mentre la meccanica quantistica richiede che le forze siano mediate da particelle (quanti). Ad oggi, non esiste un concetto equivalente di "campo gravitazionale" nella meccanica quantistica convenzionale.

3. Il Paradosso dell'Informazione dei Buchi Neri

La Relatività Generale afferma che ciò che entra in un buco nero è distrutto, lasciando solo massa, carica e spin. La Meccanica Quantistica, invece, stabilisce che l'informazione non può mai essere distrutta.

Secondo Stephen Hawking, i buchi neri emettono radiazioni (Radiazione di Hawking) e alla fine evaporano. Se il buco nero scompare portando con sé l'informazione di ciò che ha inghiottito, viola la meccanica quantistica. Questo paradosso suggerisce che una delle due teorie debba essere modificata.

La Gravità Quantistica

L'obiettivo ultimo della fisica moderna è una teoria unificata, spesso chiamata Gravità Quantistica. Questa teoria dovrebbe riconciliare i principi delle due grandi scuole in una descrizione coerente della materia e dell'energia a tutte le scale.

Diverse teorie sono state proposte, tra cui:

- Teoria delle Stringhe: Sostituisce le particelle puntiformi con stringhe vibranti unidimensionali. - Gravità Quantistica a Loop (Loop Quantum Gravity): Propone che lo spazio stesso sia composto da anelli quantistici discreti.

Una teoria di successo della gravità quantistica potrebbe svelare cosa è successo nei primi istanti del Big Bang e cosa accade realmente all'interno di un buco nero.

La ricerca per svelare i misteri dell'universo è un viaggio ancora lungo. Nonostante i numerosi tentativi, l'intersezione tra relatività e meccanica quantistica rimane avvolta nel mistero. Tuttavia, la scienza non riguarda solo il trovare risposte, ma anche il sollevare nuove domande. Le teorie più affascinanti sono quelle che ispirano ulteriori indagini, portando a un ciclo infinito di scoperta, vasto quanto lo spazio-tempo stesso.

Per approfondimenti:

Prime immagini di singoli atomi in libertà, grazie alla microscopia con risoluzione atomica. Nei laboratori del Massachusetts Institute of Technology sono state catturate per la prima volta immagini di singoli atomi che interagiscono liberamente nello spazio. Queste immagini mostrano correlazioni tra particelle libere, previste dalla teoria ma mai osservate direttamente, offrendo una nuova finestra sui fenomeni quantistici. I fisici del Massachusetts Institute of Technology (Mit) hanno catturato per la prima volta immagini di singoli atomi che interagiscono liberamente nello spazio. Queste immagini mostrano correlazioni tra particelle libere, previste dalla teoria ma mai osservate direttamente, offrendo una nuova finestra sui fenomeni quantistici.

Buchi neri e atomi gravitazionali e sistemi quantistici macroscopici. Uno studio pubblicato su Physical Review Letters suggerisce che l'analogia tra atomi ordinari e gravitazionali – buchi neri circondati da una nuvola di particelle con massa molto bassa – è più profonda della semplice somiglianza nella struttura e che tale somiglianza può essere sfruttata per scoprire nuove particelle con i prossimi interferometri per onde gravitazionali. Ne parliamo con uno degli autori, il 24enne Giovanni Maria Tomaselli. Generalmente si pensa che i buchi neri inghiottiscano tutte le forme di materia ed energia che li circondano. Tuttavia, è noto da tempo che possono anche perdere parte della loro massa attraverso un processo chiamato superradiance – superradianza, in italiano – efficace solo nel caso in cui in natura esistano nuove particelle con massa molto bassa, non ancora osservate ma previste da diverse teorie al di fuori del Modello standard della fisica delle particelle.

Giovanni Maria (“Gimmy”) Tomaselli, 24enne nato a Benevento. Appassionato di scienza fin dalla tenera età, negli anni del liceo ha partecipato alle Olimpiadi della matematica e a quelle della fisica. Dopo aver studiato fisica alla Scuola Normale Superiore di Pisa, si è poi spostato all’Università di Amsterdam per proseguire gli studi come dottorando. Crediti: G.M.Tomaselli Quando la massa viene estratta da un buco nero tramite la superradianza, forma una grande “nuvola” attorno al buco nero, creando un cosiddetto atomo gravitazionale. In una pubblicazione apparsa recentemente su Physical Review Letters, un team composto dai fisici Daniel Baumann, Gianfranco Bertone e Giovanni Maria Tomaselli dell’Università di Amsterdam e da John Stout dell’Università di Harvard suggerisce che l’analogia tra atomi ordinari e gravitazionali è più profonda della semplice somiglianza nella struttura, e che tale somiglianza può essere sfruttata per scoprire nuove particelle con i prossimi interferometri di onde gravitazionali. Media Inaf ne ha parlato con Tomaselli, 24enne nato a Benevento, che dopo aver studiato fisica alla Scuola Normale Superiore di Pisa si trova ora all’Università di Amsterdam per proseguire gli studi come dottorando. Tomaselli, cosa sono gli atomi gravitazionali? «Atomo gravitazionale è il nome che diamo a un ipotetico sistema composto da un buco nero e da una “nuvola” attorno a esso, composta da un tipo di particella teorizzata ma mai osservata. Chiamiamo queste particelle bosoni ultraleggeri, assioni, oppure simil-assioni. Queste particelle hanno una massa molto piccola, e questa caratteristica fa sì che manifestino comportamenti quantistici anche a distanze molto grandi, quali appunto le dimensioni dei buchi neri. Questo sistema quantistico macroscopico è matematicamente equivalente ad un sistema quantistico microscopico molto più familiare: l’atomo di idrogeno. Nel nostro caso, il buco nero gioca il ruolo del protone, la nuvola di assioni gioca il ruolo dell’elettrone, e l’attrazione elettromagnetica è sostituita da quella gravitazionale. Ecco perché “atomo gravitazionale”». In che modo fanno emettere un buco nero? «Una domanda legittima è come possa formarsi un atomo gravitazionale, per la quale abbiamo una risposta precisa ma controintuitiva. Si pensa generalmente che i buchi neri possano solo “mangiare”, e non “emettere” niente. Ciò è vero solo a metà: è in realtà possibile estrarre un po’ di energia da un buco nero, purché esso ruoti su sé stesso. Questo processo fu scoperto da Sir Roger Penrose, e va sotto il nome di superradiance (che non cercherò di tradurre in italiano) quando a compierlo sono i bosoni ultraleggeri che menzionavo prima. La massa estratta del buco nero va a finire in questa nuvola che lo circonda. Il bello della superradiance è che è in un certo senso inevitabile: dato un buco nero rotante e un bosone della massa giusta, la formazione della nuvola è solo una naturale conseguenza».

Informatica quantistica, importante scoperta sui bosoni fatta da scienziati. Una scoperta definita, sul sito dell’esercito statunitense, come importante per lo sviluppo dei futuri computer quantistici è stata effettuata da un team di scienziati dell’Università Statale della Pennsylvania. Finanziata in parte anche dall’Army Research Laboratory, la ricerca mostra che una classe di particelle note come bosoni può comportarsi, in determinate condizioni, come i fermioni, una classe opposta di particelle, quando vengono forzate in una linea. Nello specifico i ricercatori hanno scoperto che quando i bosoni si espandono in una dimensione,

la suddetta linea di atomi comincia ad allungarsi e può formare un mare di fermi (detto anche liquido di fermi). Quest’ultimo è un liquido quantistico fatto di fermioni che può vantare interessanti caratteristiche nel momento in cui la temperatura raggiunge un livello sufficientemente basso. A spiegare i propositi e i risultati di questa ricerca è Paul Baker, responsabile del programma: “Le prestazioni degli orologi atomici, dei computer quantistici e dei sistemi quantistici si basano sulla corretta cura delle proprietà del sistema scelto. Questo sforzo di ricerca dimostra che le statistiche del sistema possono essere modificate limitando adeguatamente le dimensioni del sistema. Oltre a migliorare la nostra comprensione dei principi di base, questa scoperta potrebbe fornire un metodo per cambiare dinamicamente un sistema da bosonico a fermionico per soddisfare al meglio la necessità militare”. Nel sottolineare l’importanza di questa scoperta, Marcos Rigol, professore di fisica alla Penn State ed altro autore della ricerca, spiega che in questo momento storico abbiamo accesso sperimentale a cose nel campo della fisica teorica che solo 10 anni fa nessun fisico teorico avrebbe creduto di poter vedere nel corso della loro vita. Approfondimenti: Boson particles discovery provides insights for quantum computing | Article | The United States Army (IA) Observation of dynamical fermionization | Science (IA) (DOI: 10.1126/science.aaz0242)