NON È COMPATIBILE CON IL PRINCIPIO OLOGRAFICO

La simmetria perduta della gravità quantistica

In una teoria gravitazionale soggetta al principio olografico non è possibile alcuna simmetria. Una coppia di ricercatori è giunta a questa conclusione dopo aver trovato una precisa analogia matematica tra il principio olografico e i codici di correzione dell’errore quantistico, e dopo aver dimostrato che tali codici di correzione non sono compatibili con alcuna simmetria

Un diagramma usato dagli autori per dimostrare che la gravità quantistica non può avere alcuna simmetria globale. La simmetria, se esistesse, potrebbe agire solo sulle regioni ombreggiate nel diagramma e non provocherebbe alcun cambiamento attorno alla macchia nera nel mezzo. Le regioni ombreggiate possono essere ridotte a piacimento dividendo il cerchio sempre di più. Pertanto, la presunta simmetria non agirebbe in alcun punto all’interno del cerchio. Che è una contraddizione. Crediti: Harlow and Ooguri

Un nuovo studio condotto da una coppia di ricercatori – Hirosi Ooguri in Giappone e Daniel Harlow negli Stati Uniti – ha scoperto che quando la gravità è combinata con la meccanica quantistica, non è possibile alcuna simmetria. I dettagli dello studio sono stati pubblicati su Physical Review Letters.

«Molti fisici ritengono che debba esistere un meraviglioso insieme di leggi che governano la natura e che un modo per quantificarne la bellezza sia la simmetria. Alcune simmetrie possono essere nascoste ai nostri occhi, ma dovrebbero manifestarsi se guardiamo la natura a livello fondamentale: con il nostro lavoro abbiamo dimostrato che, una volta presa in considerazione la gravità, questa aspettativa è sbagliata», dice Ooguri, direttore del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe.

Esistono quattro tipi di forze fondamentali in natura: elettromagnetismo, forza forte, forza debole e gravità. Il tentativo di unificare queste quattro forze fondamentali in una teoria in grado di comprendere le tre interazioni (elettromagnetica, debole e forte) descritte dal modello standard e quella gravitazionale descritta dalla relatività generale, non è ancora andato a buon fine. Delle quattro, la gravità è l’unica che ancora non si riesce a spiegare a livello quantistico. Si chiama gravità quantistica il campo della fisica teorica che tenta di fornire una descrizione della gravità, che modella l’universo su scala macroscopica, coerente con i principi della meccanica quantistica, che descrive i fenomeni tipici della scala atomica e subatomica. I ricercatori ritengono che il principio olografico – una congettura riguardante la gravità quantistica, secondo cui l’entropia (o informazione) massima contenuta in una regione di spazio è proporzionale alla superficie che racchiude la regione, non al suo volume come ci si aspetterebbe – sia un indizio rilevante per riuscire a combinare gravità e meccanica quantistica.

Rappresentazione artistica di un universo olografico. Crediti: Technische Universität Wien

Un ologramma è in grado di fare uscire immagini tridimensionali da uno schermo bidimensionale. Allo stesso modo, il principio olografico consente ai fisici di studiare i sistemi gravitazionali proiettandoli su un confine che circonda l’intero universo. La corrispondenza AdS/Cft (acronimo di Anti de Sitter/Teoria di campo conforme), sviluppata alla fine degli anni ’90 da Juan Maldacena, è stata particolarmente utile perché fornisce una precisa definizione matematica del principio olografico. Il fisico in questione, nel 1997, ha dimostrato che all’interno di uno spazio anti-de Sitter (un particolare tipo di spazio tempo a curvatura negativa, opposta a quella misurata per il nostro universo, che è sostanzialmente piatto e a curvatura lievemente positiva) la teoria della gravitazione è equivalente a una teoria quantomeccanica in uno spazio con una dimensione in meno.

Nel loro articolo, Ooguri e Harlow hanno dimostrato che la simmetria auspicata non è possibile in una teoria gravitazionale che obbedisce al principio olografico.

La ricerca precedente di Harlow, che lavora al Massachusetts Institute of Technology, aveva trovato una precisa analogia matematica tra il principio olografico e i codici di correzione dell’errore quantistico, che protegge le informazioni in un computer quantistico. Nel nuovo articolo, Ooguri e Harlow hanno mostrato che tali codici di correzione degli errori quantistici non sono compatibili con alcuna simmetria, il che significa che la simmetria non sarebbe possibile in gravità quantistica.

Il loro risultato ha diverse conseguenze importanti. In particolare, prevede che i protoni siano stabili rispetto al decadimento in altre particelle elementari e che esistano monopoli magnetici.

Per saperne di più:

Guarda su YouTube questa lezione (in inglese) di Hirosi Ooguri: