Grazie ad una collaborazione tra fisici e matematici è stato fatto un passo importante verso l’unificazione della relatività generale e della meccanica quantistica. In un articolo pubblicato su Physical Review Letters come Editor’s Suggestion “per il potenziale interesse in termini di risultati e per il successo dell’articolo nel comunicare il suo messaggio, in particolare per quei lettori specializzati in altri campi di studio”, gli autori, guidati da Hirosi Ooguri, investigatore principale presso la University of Tokyo’s Kavli IPMU e co-autore dello studio in collaborazione con una matematica italiana, Matilde Marcolli del Caltech, e con gli studenti Jennifer Lin, autore principale dello studio, e Bogdan Stoica, lo spaziotempo emergerebbe dall’entanglement quantistico nell’ambito di una teoria più fondamentale.
Fisici e matematici stanno perseguendo da lungo tempo una teoria del tutto che possa unificare la relatività generale e la meccanica quantistica. La relatività generale e la meccanica quantistica rappresentano attualmente le due teorie più complete e più esatte che ci permettono di descrivere, rispettivamente, la gravità e i fenomeni fisici su larga scala, come la dinamica delle stelle e delle galassie, e i fenomeni microscopici dalle scale subatomiche fino a quelle molecolari. Nonostante ciò, le due teorie sono in contrasto tra loro. Il mondo della meccanica quantistica è bizzarro, pieno di stranezze e dove si può solo prevedere la probabilità con cui si verifica un determinato fenomeno fisico. Einstein dubitò sempre sul fatto che l’Universo si comportasse in maniera casuale e imprevedibile perché riteneva invece che esistessero regole ben precise che governassero le leggi della fisica.
Illustrazione del concetto di olografia. Credit: H. Ooguri
Il principio olografico viene di gran lunga considerato una caratteristica essenziale di una teoria del tutto di successo. Esso afferma che in un volume tridimensionale la gravità può essere descritta dalla meccanica quantistica su una superficie bidimensionale che circonda questo volume 3D. In particolare, le tre dimensioni dovrebbero emergere dalle due dimensioni della superficie. Ad ogni modo, il problema di comprendere il meccanismo che porta alla formazione delle tre dimensioni è rimasto alquanto elusivo. Oggi, però, Ooguri e i suoi collaboratori hanno trovato che l’entanglement quantistico può rappresentare la chiave per risolvere questa problematica. Partendo dalla meccanica quantistica, che non include la gravità, gli autori mostrano come sia possibile calcolare la densità di energia, che è la sorgente delle interazioni gravitazionali nelle tre dimensioni, facendo uso dei dati dell’entanglement quantistico relativi alla superficie bidimensionale. È un pò come analizzare il corpo umano ai raggi X esaminando le lastre bidimensionali. Ciò ha permesso ai ricercatori di interpretare le proprietà universali dell’entanglement quantistico in termini di condizioni sulla densità di energia che sarebbe descritta in maniera consistente da una qualsiasi teoria della gravità quantistica che non includa esplicitamente la gravità.
La formula matematica derivata dagli autori correla i dati locali nelle dimensioni extra della teoria della gravità (rappresentata dal puntino rosso) espresse in termini di entanglement quantistico (rappresentate dalle cupole blu). Credit: Jennifer Lin et al. 2015
L’importanza dell’entanglement quantistico è già nota ma il suo preciso ruolo nel meccanismo che porta all’emergere dello spaziotempo non era chiaro prima di questo studio. L’entanglement quantistico è un fenomeno dove gli stati quantici, come lo spin o la polarizzazione delle particelle localizzate in diverse posizioni, non può essere descritto indipendentemente. Eseguire perciò una misura su una particella implica una conseguente azione su un’altra particella, un fenomeno che lo stesso Einstein definì come “azione fantasma a distanza”. Il lavoro di Ooguri e collaboratori mostra invece che il fenomeno dell’entanglement quantistico genera dimensioni spaziali extra della teoria della gravità.
«Sappiamo che l’entanglement quantistico è correlato ad argomenti più profondi che ruotano attorno al tentativo di unificare la relatività generale e la meccanica quantistica, come ad esempio il paradosso dell’informazione dei buchi neri» (vedasi, ad esempio, il recente articolo su Media INAF L’informazione resta anche nei buchi neri). «Il nostro lavoro fa luce sulla relazione tra l’entanglement quantistico e la struttura microscopica dello spaziotempo attraverso calcoli precisi e minuziosi. L’interfaccia tra la gravità quantistica e la scienza dell’informazione sta diventando sempre più importante. Uno dei miei obiettivi è proprio quello di andare avanti seguendo questa strada per la ricerca futura», conclude Ooguri.
Physical Review Letters: Jennifer Lin et al. – Locality of gravitational systems from entanglement of conformal field theories