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.

Cos’è il bosone di Higgs? La spiegazione chiara e semplice. Ecco tutto quello che c’è da sapere sul bosone di Higgs. Un viaggio storico fino alla grandiosa rilevazione nel 2012. Il bosone di Higgs è una particella estremamente importante per tutti i fisici ed è stata una scommessa, a quanto pare vinta, dei modelli che descrivono i mattoni fondamentali della materia e come essi interagiscono per formare le strutture che vediamo, dagli atomi alle stelle. A partire dagli anni 60 del secolo scorso, i fisici delle particelle avevano compreso che tutta la materia era formata dalla combinazione di alcune, poche, particelle fondamentali. A tal proposito fu compilata una tabella, una specie di tavola periodica delle particelle, detta modello standard. In questa speciale tabella trovano posto due gruppi di particelle fondamentali (particelle che non si possono più dividere): quark e leptoni sono chiamati fermioni e rappresentano le lettere dell’alfabeto attraverso le quali si costruiscono nuclei atomici e atomi. L’altro gruppo è composto dai bosoni, particelle estremamente particolari, che hanno il compito unico di trasmettere nello spazio le informazioni sulle proprietà dei fermioni. Comunicazione tra particelle

Credit: CERN for the ATLAS and CMS Collaborations Possiamo immaginare i bosoni come particelle utilizzate dai fermioni per comunicare e interagire tra di loro. Quando un fermione si avvicina ad un altro e vuole interagire con esso, prende il telefono e comunica attraverso l’emissione di bosoni. Ma rispetto ad una classica telefonata, c’è qualcosa di diverso. A seconda del modo in cui due fermioni vogliono comunicare, utilizzano un determinato bosone. In tutto i bosoni a disposizione sono quattro: quattro modi di comunicare tra le particelle elementari. Questo numero non è di certo casuale. Le particelle elementari, in effetti, hanno solamente quattro modi possibili per interagire tra di loro. I fisici le chiamano le quattro forze fondamentali della Natura. In realtà non tutti i fermioni hanno a disposizione tutte e quattro le interazioni. Solamente i quark hanno piena libertà di scelta. I leptoni, a cui appartengono l’elettrone e gli sfuggenti neutrini, ne hanno a disposizione solamente 3. A prescindere da questa piccola differenza, le interazioni fondamentali sono: forza elettromagnetica, forza gravitazionale, forza forte e forza debole. Tutto l’Universo obbedisce a queste quattro forze fondamentali, dalle galassie a noi che spingiamo il carrello della spesa ostacolati dalla forza di gravità e dall’interazione elettromagnetica con il pavimento che causa l’attrito. Le prime due sono ben conosciute, le ultime un po’ meno, perché agiscono solamente su scala subatomica. Ma non è importante capire quale sia il significato delle interazioni, piuttosto è fondamentale aver chiaro che quando due particelle fondamentali “scelgono” il modo di interagire, emettono i bosoni relativi a quella determinata interazione, i quali trasmettono nello spazio tutte le informazioni necessarie per capire come dovrà essere portata avanti l’interazione. Fin qui tutto bene

Credit: NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope (JWST) to study. Acknowledgement: D. Coe et al. Attraverso l’interazione forte, i quark generano le particelle costituenti dei nuclei atomici: protoni e neutroni. La combinazione tra protoni e neutroni dà luogo ai nuclei atomici tenuti insieme dalla forza forte, aiutati dalla forza debole responsabile di alcuni processi, come il decadimento beta. La combinazione dei nuclei atomici con gli elettroni dà vita agli atomi, grazie alla forza elettromagnetica. Gli atomi si combinano e danno origine a molecole, le quali danno vita a strutture più grandi, fino ai pianeti e le stelle, regolati dalla forza di gravitazione. Il modello così presentato sembra funzionare molto bene. Ogni particella è caratterizzata da un pacchetto di proprietà che ne costituisce la perfetta carta d’identità, tra cui possiamo citare la carica elettrica, lo spin, e molte altre che non ci interessano. La carta d’identità di ogni particella determina il comportamento ed il risultato una volta che sceglie di comunicare con un’altra particella attraverso l’emissione di bosoni. Tuttavia nella carta d’identità manca un dato fondamentale: la massa. Il modello descrive perfettamente le proprietà e le modalità di interazione di tutte le particelle, arrivando a giustificare la formazione di tutta la materia e l’esistenza stessa dell’Universo, ma senza considerare la massa. Questo è un gran problema: è come dire di essere in grado di prevedere alla perfezione il comportamento e le proprietà dell’Universo, a patto di affermare che gli oggetti non abbiano massa, che pianeti, stelle, esseri umani siano fatti di particelle senza peso, non materiali. Per capire che questa è una grande contraddizione, non c’è bisogno di essere dei fisici: provate ad attraversare un muro e ditemi se non sentite la consistenza del cemento! La situazione era ancora più seria, in realtà, perché se si introduceva nel modello una nuova proprietà che in qualche modo teneva conto della diversa massa delle particelle, tutto il castello crollava su se stesso: le interazioni, addirittura l’esistenza stessa della materia, non erano più giustificabili. Com’è possibile tutto questo? Il modello è sbagliato? Ma allora perché prevede così bene la realtà, a patto di non considerare la massa delle particelle? Il fisico Higgs

Il fisico Peter Higgs Il grande imbarazzo fu superato, almeno dal punto di vista teorico, da un fisico inglese, un certo Peter Higgs, negli anni 70. Il fisico britannico affermò che la massa è una proprietà esterna alle particelle, associata ad un campo, analogo a quelli responsabili delle quattro interazioni fondamentali, detto campo di Higgs. Il campo di Higgs può essere immaginato come una fitta trama gelatinosa che permea tutto lo spazio, nella quale le particelle si muovono e per qualche motivo incontrano una resistenza al moto. L’effetto osservato è del tutto equivalente a quello di una particella dotata di una massa intrinseca che si muove nello spazio, ma l’origine è ben diversa. Di fatto, questo modello ci dice una cosa sconvolgente: le particelle, quindi tutte le strutture dell’Universo, compresi noi, abbiamo massa, una consistenza, solamente perché ci muoviamo attraverso questa fitta rete gelatinosa che trattiene e regola i nostri movimenti. L’idea non è poi così assurda, se non altro perché il campo gravitazionale è responsabile di un effetto simile: trattiene a sé i corpi, regolando le proprietà dei loro movimenti. Introducendo in termini matematici l’idea di questo campo di Higgs ed integrandola al modello standard, tutto sembra funzionare alla perfezione. Come comunicano, però, il campo di Higgs e le particelle che lo devono sentire? È qui che entra in gioco il famoso bosone di Higgs. Sappiamo infatti che i bosoni sono i modi per comunicare una precisa interazione, quindi se esiste il campo di Higgs che dà massa alle particelle, deve esistere il suo messaggero, il bosone di Higgs. Per provare l’esistenza del campo, quindi, è necessario osservare il bosone di Higgs. Rilevazione della particella

L’intuizione di una quinta forze diventa sempre più reale. L’allettante teoria secondo cui potrebbe esistere una quinta forza della natura ha ricevuto una spinta grazie all’oscillazione inaspettata di una particella subatomica, hanno rivelato i fisici. Secondo l’attuale comprensione, ci sono quattro forze fondamentali in natura, tre delle quali – la forza elettromagnetica e le forze nucleari forti e deboli – sono spiegate dal modello standard della fisica delle particelle, quindi sono prevedibili sulla base di questa legge e si parla di “unificazione delle forze”. Il modello però non spiega l’altra forza fondamentale nota, la gravità, o meglio la sua spiegazione non è completa e richiede la famosa materia oscura, che costuirebbe il 27% dell’universo. Ora i ricercatori hanno detto che potrebbe esserci un’altra, quinta, fondamentale forza della natura, che aiuterebbe a spiegare le altre quattro. Il dottor Mitesh Patel, dell’Imperial College di Londra, ha dichiarato: “Stiamo parlando di una quinta forza perché non possiamo necessariamente spiegare il comportamento con le quattro che conosciamo”.

Meccanica quantistica e zero assoluto. Ricercatori giapponesi hanno raffreddato un materiale fino (quasi) allo zero assoluto. E quindi? Un team di ricercatori giapponesi ha portato la temperatura di un materiale fin quasi allo zero assoluto, cioè in condizioni ideali per studiarne a fondo le proprietà quantistiche. Un team di ricercatori dell'Università di Kyoto (Giappone) ha raffreddato degli atomi di itterbio fino a una temperatura quasi pari allo zero assoluto (ovvero -273,15 °C) per capire in che modo si comporta la materia a temperature così basse e studiare le proprietà del magnetismo quantistico. «A meno che qualche civiltà extraterrestre stia eseguendo lo stesso esperimento in questo istante, direi che all'Università di Kyoto stanno fabbricando i fermioni più freddi dell'Universo», commenta Kaden Hazzard, uno degli autori dello studio pubblicato su Nature Physics, riferendosi agli atomi che compongono l'itterbio, un metallo che fa parte delle terre rare.

Il record della temperatura più fredda mai registrata in laboratorio non è ancora stato battuto: lo detiene l’Università di Brema (Germania), dove un gas magnetizzato lasciato cadere da 120 metri di altezza ha raggiunto una temperatura di 38mila miliardesimi di grado superiore allo zero assoluto. © Casimiro PT | Shutterstock «A temperature così basse la fisica della materia cambia, e possiamo osservare nuovi fenomeni», spiega Hazzard. Il comportamento quantistico degli atomi si mostra infatti solo a una temperatura molto vicina allo zero assoluto: gli studiosi di Kyoto l'hanno quasi raggiunta, raffreddando gli atomi con dei fasci laser fino a un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto.

Il record della temperatura più fredda mai registrata in laboratorio non è ancora stato battuto: lo detiene l’Università di Brema (Germania), dove un gas magnetizzato lasciato cadere da 120 metri di altezza ha raggiunto una temperatura di 38mila miliardesimi di grado superiore allo zero assoluto. © Casimiro PT | Shutterstock Il luogo naturale più freddo dell’Universo è la nebulosa Boomerang, che si trova a 5000 anni luce dalla Terra e ha una temperatura media di -272 °C. © ESA/NASA

Il luogo naturale più freddo dell’Universo è la nebulosa Boomerang, che si trova a 5000 anni luce dalla Terra e ha una temperatura media di -272 °C. © ESA/NASA Supersimmetria Per studiare gli atomi a bassissima temperatura, i ricercatori hanno utilizzato il cosiddetto modello di Hubbard, un modello quantistico creato nel 1963 e spesso utilizzato per capire il comportamento magnetico e superconduttore dei materiali. Il modello simulato in laboratorio presenta una simmetria speciale chiamata SU(N), dove SU sta per gruppo unitario speciale (special unitary group) e N indica lo stato di spin (ovvero la rotazione) delle particelle. Nel caso dell'itterbio, N corrisponde a 6: maggiore il valore di N, maggiore la simmetria del modello e la complessità del comportamento magnetico che descrive. Una rappresentazione artistica delle correlazioni magnetiche degli atomi di itterbio osservate dai ricercatori di Kyoto nel reticolato di Hubbard: i sei diversi colori rappresentano i sei possibili "spin" di ogni atomo. © Ella Maru Studio/Courtesy of K. Hazzard/Rice University

Il nulla. Potrebbe sembrare una sterile riflessione filosofica, tuttavia comprendere il nulla potrebbe essere la chiave per capire i misteri profondi dell'universo, dall'energia oscura alla materia oscura e al perché le particelle possiedono una massa. Perché nell’universo c’è qualcosa piuttosto che nulla? E cosa significa veramente “nulla”? Potrebbe sembrare una sterile riflessione filosofica, tuttavia comprendere il nulla potrebbe essere la chiave per capire i misteri profondi dell’universo, dall’energia oscura alla materia oscura e al perché le particelle possiedono una massa. Il nostro universo ha più spazio tra i suoi atomi di quanto la maggior parte delle persone immaginino. La materia che ci circonda, anche quella di cui siamo fatti noi stessi, sembra assolutamente solida ma in realtà è fatta per lo più da “vuoto”.

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)