I segreti di alcuni dei più grandi misteri dell’universo, crede Sera Cremonini, potrebbero risiedere nel comportamento dei suoi costituenti più piccoli. In una frazione di secondo dopo il Big Bang, 14 miliardi di anni fa, un’immensa quantità di materia strettamente confinata è esplosa in un mare caldissimo di particelle subatomiche.
E considerate i buchi neri che si formano quando le stelle massicce collassano. Comprimono la materia in modo così denso che nulla di ciò che entra nel loro dominio sfugge, nemmeno la luce.
Come hanno interagito le prime particelle dell’universo? Come hanno formato i quark, e come si sono combinati per formare i primi protoni e neutroni? E quali leggi governano la “singolarità gravitazionale” di un buco nero, uno strappo nel tessuto dello spazio-tempo, dove la densità e la gravità diventano infinite?
Cremonini, assistente professore di fisica, sonda queste domande attraverso la lente della teoria delle stringhe, che propone che ogni particella dell’universo sia fatta di piccole stringhe vibranti di energia. Misurando appena 10-34 metri, una stringa è paragonabile ad un quark come un atomo è paragonabile alla Terra.
Le stringhe sono oggetti monodimensionali, che possiedono lunghezza ma non larghezza. Possono essere aperte, formare un anello chiuso, o attaccarsi a membrane, o branes, che potrebbero essere minuscole o riempire l’intero universo. Come le corde della chitarra accordate per produrre diverse frequenze, le vibrazioni delle corde possono essere associate alle varie particelle che conosciamo. Una di queste corrisponde al gravitone, la particella che si crede porti la forza gravitazionale. Il modo in cui le stringhe e le membrane si dispongono e interagiscono tra loro dà origine alle proprietà delle particelle subatomiche che osserviamo.
“L’idea alla base della teoria delle stringhe è semplice”, dice Cremonini. “Guarda in profondità dentro qualsiasi particella e vedrai questa minuscola stringa vibrante. Questa è l’unità fondamentale che stiamo cercando, l’entità fondamentale che compone ogni cosa”
La teoria delle stringhe, dice Cremonini, è il miglior quadro ancora concepito per collegare le due teorie incompatibili che descrivono come funziona l’universo. La teoria della relatività generale di Albert Einstein insegna che la gravità è la flessione dello spazio e del tempo; è deterministica e descrive i fenomeni su larga scala. La meccanica quantistica è probabilistica e regola il comportamento delle particelle atomiche e subatomiche.
“La teoria della relatività generale di Einstein è una teoria bella e ben collaudata che ci dice come gli oggetti massicci deformano il tessuto dello spaziotempo”, dice Cremonini. “Grazie ad essa, abbiamo sistemi GPS e comprendiamo le orbite dei pianeti e la flessione della luce intorno alle galassie. E solo l’anno scorso l’esperimento LIGO ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali, che Einstein aveva previsto 100 anni prima. Si tratta di increspature nello spaziotempo stesso, causate dalla collisione tra due buchi neri, una conferma spettacolare della relatività generale.
“Ma la relatività generale funziona bene solo a grandi distanze o a grandi scale – con un pianeta, una mela o un aeroplano. La teoria non riesce a descrivere la gravità ovunque nell’universo. Si rompe quando si va a distanze molto, molto brevi, dove gli effetti della meccanica quantistica non possono essere ignorati.
“La relatività generale e la meccanica quantistica spiegano bene i loro rispettivi regimi, ma abbiamo bisogno di una teoria, una teoria della gravità quantistica, che le unisca entrambe, per descrivere situazioni in cui gli effetti gravitazionali e quantistici sono ugualmente importanti. La teoria delle stringhe in questo momento è il quadro più promettente e coerente che abbiamo per far luce sulla natura quantistica della gravità. È un insieme di strumenti che possiamo usare per rispondere alle domande sull’inizio dell’universo, il comportamento e le proprietà dei buchi neri e il tessuto dello spaziotempo. Tutte queste idee vanno insieme”.
Cremonini ha recentemente ricevuto una sovvenzione triennale dalla National Science Foundation per studiare la microstruttura dello spaziotempo, il continuum quadridimensionale in cui le tre dimensioni fisiche sono intrecciate con il tempo. Utilizzando una tecnica chiamata olografia, spera di far luce su fenomeni che vanno dalle immediate conseguenze del Big Bang alla struttura e alle proprietà dei buchi neri al comportamento di materiali non convenzionali come i superconduttori ad alta temperatura.
La mucca sferica
Cremonini inizia gran parte della sua ricerca con una matita e un foglio di carta, scrivendo equazioni differenziali non molto più complicate di quelle che gli studenti imparano a risolvere nel calcolo universitario. Le equazioni sono quelle della relatività generale con la teoria quantistica dei campi e la teoria delle stringhe.
“Molti di questi calcoli richiedono un’intuizione fisica”, dice. “Alcuni di essi possono essere fatti a mano. Una volta che ho impostato un problema nel modo giusto, allora uso il computer per aiutare.
Come la maggior parte dei fisici, Cremonini fa molte approssimazioni e ipotesi sul mondo reale. Questo è particolarmente importante per la teoria delle stringhe, poiché gli scienziati non hanno ancora sviluppato strumenti in grado di produrre o osservare le stringhe.
“C’è una battuta in fisica su una mucca sferica”, dice. “La maggior parte dei problemi su cui i fisici lavorano richiedono di fare approssimazioni del mondo reale, come prendere una mucca e renderla sferica perché una sfera è molto più facile da modellare di una mucca reale.
“Non abbiamo gli strumenti matematici per risolvere certi problemi, quindi siamo costretti a fare semplificazioni e approssimazioni che li riducono a qualcosa che possiamo affrontare. Dobbiamo mettere in relazione un problema che non sappiamo come risolvere con qualcosa che sappiamo essere risolvibile senza perdere le sue proprietà fisiche essenziali.”
Il dizionario gravità-quantità
Una dualità nella teoria delle stringhe, dice Cremonini, fornisce intuizioni su come la gravità si relaziona al mondo della meccanica quantistica. Alcuni aspetti dello spaziotempo gravitazionale, dice, hanno descrizioni alternative nel mondo quantistico.
“Nella teoria delle stringhe, impariamo che certe teorie della gravità che vivono in un numero specifico di dimensioni hanno descrizioni corrispondenti e completamente equivalenti nelle teorie quantistiche che vivono in una dimensione in meno. A causa di questa differenza nel numero di dimensioni, la chiamiamo olografia, perché ricorda un ologramma, che è una proiezione di un oggetto 3D su due dimensioni.”
Come un dizionario francese-tedesco o giapponese-inglese, dice Cremonini, una teoria gravitazionale e la sua corrispondente teoria quantistica contengono la stessa quantità di informazioni ma sono scritte con parole e convenzioni diverse. L’olografia offre una “ricca rete” di connessioni, dice Cremonini, che rendono possibile la traduzione tra la gravità e il mondo quantistico, e pensare in modo completamente nuovo ad alcuni dei loro aspetti più impegnativi. Come si scopre, un problema che è difficile da risolvere in un dominio può essere tradotto nell’altro – di solito il dominio gravitazionale – dove può essere risolto più facilmente.
Valutando l’asimmetria della realtà
L’obiettivo della ricerca attuale di Cremonini è quello di espandere la portata dei problemi a cui le tecniche olografiche possono essere efficacemente applicate.
“Le tecniche olografiche sono state originariamente sviluppate per sistemi semplici che sono ben educati, hanno molta simmetria e non sono troppo realistici”, dice. “Abbiamo scoperto che queste tecniche sono molto più ampie e abbastanza potenti. Mi sto chiedendo quanto possiamo estendere e generalizzare queste idee a sistemi più complessi con meno simmetria, che sono più vicini al nostro universo, e quindi più realistici.
“Ai fisici piace pensare alle cose in termini di simmetrie. La maggior parte dei nostri progressi, specialmente nella fisica delle particelle, si è basata sulla comprensione di sistemi altamente simmetrici; sono semplicemente più facili da capire. Ma nella vita reale, la natura ha molti meccanismi per rompere le simmetrie, e i processi sono dinamici e molto più complicati.”
I problemi che pongono la più grande sfida ai fisici, dice Cremonini, di solito coinvolgono sistemi i cui costituenti – gli elettroni, per esempio – interagiscono fortemente tra loro. In questi casi, modellare come i sistemi si comportano a diverse temperature, o come subiscono transizioni di fase da uno stato all’altro, è notoriamente difficile.
Una delle transizioni di fase che Cremonini ha studiato avviene in un sistema quantistico chiamato plasma quark-gluon. Secondo la teoria della cromodinamica quantistica (QCD), i protoni e i neutroni che compongono il nucleo di un atomo sono a loro volta costituiti da tre piccoli quark strettamente legati tra loro da particelle chiamate gluoni. Ad energie sufficientemente alte, in un fenomeno che riecheggia lo stato del primo universo, quark e gluoni si separano fisicamente e fluttuano liberamente in un brodo caldo, o plasma. La transizione di fase che slega i quark è nota come deconfinamento QCD ed è oggetto di esperimenti al Relativistic Heavy Ion Collider al Brookhaven National Laboratory, e al Large Hadron Collider al CERN, l’organizzazione europea per la ricerca nucleare in Svizzera.
“A causa delle forti interazioni tra quark e gluoni”, dice Cremonini, “questo sistema è molto difficile da studiare. Ma può essere mappato in un sistema gravitazionale appropriato, dove alcune delle sue proprietà sono molto più facili da sondare.”
Quando l’energia governa il comportamento
Nel suo progetto NSF, Cremonini sta cercando di utilizzare tecniche olografiche per studiare le fasi quantistiche della materia il cui comportamento è poco compreso, proprio a causa di tali forti interazioni. Un esempio è quello dei superconduttori ad alta temperatura, che raggiungono la superconduttività a temperature fino a -70 gradi Celsius, rispetto alla soglia di -240 gradi per i materiali superconduttori metallici ordinari.
Perché hanno costituenti fortemente interagenti, dice Cemonini, i superconduttori ad alta temperatura sono molto più difficili da modellare dei superconduttori regolari.
“I superconduttori ad alta temperatura sono materiali molto interessanti ma non c’è una comprensione profonda del perché superconducono”, dice. “Il comportamento dei costituenti di questi materiali è molto strano. I loro elettroni sono così intrecciati e interagiscono così fortemente che non possiamo davvero capire il loro comportamento usando le tecniche che normalmente useremmo per i superconduttori regolari o i metalli convenzionali. Le tecniche olografiche ci danno un modo per scrivere calcoli trattabili che rendono possibile modellare questi sistemi e le loro proprietà insolite”
Il comportamento di molti sistemi può essere paragonato al comportamento dei bambini che sperimentano uno sballo indotto dallo zucchero. Quando l’energia viene rimossa da un sistema, dice Cremonini, il sistema si rilassa alla sua energia zero o allo stato di terra. Quando l’energia viene aggiunta, spesso con l’applicazione di calore, il sistema diventa eccitato ed esibisce un comportamento ricco.
“In fisica, è importante capire come si comportano i sistemi quando si toglie loro energia e a quale stato si rilassano. Il comportamento è una funzione dell’energia.
“Pensate a quello che succede quando l’acqua bolle. Si forma una bolla – un’instabilità nel sistema – e comincia a crescere. Poi si formano altre bolle e crescono in una massa fumante. È così che pensiamo alle transizioni di fase; sono lì perché si forma un’instabilità e poi cresce. Nel mio lavoro sto esplorando una varietà di fasi quantistiche e i tipi di instabilità che possono risultare”.”
Nel suo progetto NSF, Cremonini sta anche esplorando come la gravità emerge da microscopici costituenti quantistici. Spera che le sue risposte possano far luce sulla struttura dello spaziotempo, sull’inizio e sulla prima evoluzione dell’universo e sulla fisica dei buchi neri.
“La teoria delle stringhe ci ha dato molte informazioni sulla relazione tra la relatività generale e la meccanica quantistica, soprattutto negli ultimi 20 anni. Ci ha aiutato a conoscere la struttura fondamentale dei buchi neri. Sappiamo che i buchi neri hanno una temperatura, il che significa che c’è un’entropia associata a loro. Ma l’entropia non è solo una misura del disordine. Ci dice anche che il buco nero dovrebbe essere composto da un mucchio di bit microscopici. Uno dei grandi successi della teoria delle stringhe è che ci ha dato un modo per calcolare i bit microscopici che compongono certi buchi neri, e ha riprodotto la loro entropia in modo molto preciso. Questo è notevole, ed è un must per qualsiasi teoria della gravità quantistica.
“Forse c’è un’altra teoria che può descrivere tutti questi fenomeni. È possibile, ma per ora la teoria delle stringhe è il miglior quadro che abbiamo”
Storia di Kurt Pfitzer

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