Archivi tag: lunghezza di Planck

Spazio e tempo: discreti o continui?

Se prendiamo un chilometro e lo dividiamo in due parti uguali, avremo la metà di un chilometro. Se dividiamo in parti uguali la metà di un chilometro, avremo un quarto di chilometro e così via fino a raggiungere una lunghezza che risulta più piccola del diametro di un atomo. La domanda è: questa operazione di suddivisione può proseguire all’infinito, oppure esiste un limite? Continua a leggere Spazio e tempo: discreti o continui?

Annunci

La struttura a forma di ‘schiuma’ dello spaziotempo quantistico

Illustrazione artistica del concetto di “schiuma” quantistica. La bolla in primo piano rappresenta un universo che evolve con le sue leggi fisiche.

Secondo un lavoro recente pubblicato dal fisico Jacob D. Bekenstein, della Hebrew University a Gerusalemme, esisterebbe un modo di misurare la struttura dello spaziotempo quantistico. Anziché utilizzare i grandi acceleratori di particelle, Bekenstein propone un esperimento basato semplicemente su un blocco di vetro, un laser e un rivelatore.

Il termine ‘schiuma quantistica’ (quantum foam), che viene utilizzato per descrivere la natura non continua e regolare dello spaziotempo su scale quantistiche, fu introdotto da John Wheeler nel 1955. Egli aveva notato un fatto importante e cioè che secondo le leggi della meccanica quantistica, alcune proprietà dello spaziotempo possiedono determinati gradi di incertezza. In seguito, i fisici svilupparono questa idea suggerendo il fatto che su scale quantistiche l’Universo è come composto da singole unità costituite da tantissimi buchi neri microscopici che emergono e svaniscono continuamente. Perciò, se vogliamo immaginare per un istante come potrebbe apparire questa situazione, ecco che emerge il quadro di una struttura quantistica dello spaziotempo a forma di ‘schiuma’. Nonostante ciò, fino ad oggi tutti i tentativi di misurare o di provare le varie teorie quantistiche sulla struttura dello spaziotempo non hanno portato a risultati entusiasmanti dato che stiamo considerando scale estremamente piccole dove le particelle esistono e si muovono nel cosiddetto spazio di Planck. Bekenstein propone, dunque, un nuovo approccio e afferma, nel suo articolo, che ciò che si deve fare è sparare semplicemente un singolo fotone attraverso un blocco di vetro e misurarne il suo spostamento. Per fare ciò, occorre utilizzare una dimensione giusta del blocco di vetro e una lunghezza d’onda del fotone in modo tale che se il fotone sposta il centro di massa del blocco di vetro, allora potrebbe trattarsi proprio di una lunghezza di Planck. In altre parole, se l’Universo ha effettivamente una struttura granulare, così come viene ipotizzato teoricamente, il fotone potrebbe interagire con una minuscola unità di questa struttura tale da ostacolare il suo percorso, altrimenti il fotone potrà continuare indisturbato. Ora, dato che la teoria suggerisce che esiste un numero indefinito di buchi neri microscopici in ogni parte dell’Universo, diventa ragionevole assumere che il centro di massa del blocco di vetro possa cadere in uno di essi impedendo così il movimento del blocco. Quindi, per rivelare la presenza di una struttura quantistica schiumosa dello spaziotempo, occorrerà analizzare tutte le traiettorie dei singoli fotoni che passano attraverso il blocco di vetro e vedere come si comportano utilizzando un rivelatore posto sulla parte opposta rispetto alla sorgente da cui vengono emessi i fotoni.

arXiv: Is a tabletop search for Planck scale signals feasible

Un test per lo studio della gravità su scale quantistiche

La gravità è l’unica delle quattro forze fondamentali che non è descritta dalla teoria quantistica e perciò nessuno sa finora come essa si comporta quando si considerano distanze estremamente piccole e cioè dell’ordine della lunghezza di Planck. Finora, la più piccola dimensione raggiunta è dell’ordine di 10-19 metri ottenuta grazie agli esperimenti di LHC.

In un recente studio, il fisico Vahagn Gharibyan del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, Germania, ha proposto un test di gravità quantistica in grado di raggiungere una sensibilità di 10-31 metri fino alla scala di Planck in funzione dell’energia raggiunta dall’acceleratore di particelle. Diversi modelli che tentano di descrivere la gravità su scale quantistiche suggeriscono che lo spazio vuoto in prossimità della lunghezza di Planck può assumere le proprietà di un cristallo. In altre parole, lo spazio può essere ‘rifrattivo’, cioè la luce viene deviata a causa dei gravitoni, le particelle che ipoteticamente mediano l’interazione gravitazionale, e ‘birifrangente’, cioè il grado di distorsione della luce dipende anche dalla sua polarizzazione. Nella teoria quantistica della gravità, sia la rifrattività che la birifrangenza dipendono dall’energia: più elevata è l’energia del fotone e più intensa risulta l’interazione fotone-gravitone e perciò la distorsione dei raggi luminosi. Questa correlazione è opposta a quella che si ha nel caso in cui i fotoni interagiscono con il campo elettromagnetico o con la materia e anche a quella prevista dalla gravità newtoniana e dalla relatività generale dove l’effetto della distorsione della luce è indipendente dall’energia associata alla radiazione. Gharibyan suggerisce che per determinare la distorsione dei raggi luminosi nel regime quantistico si possono utilizzare fasci di particelle di alta energia negli acceleratori in modo da esplorare le proprietà di simmetria dello spazio vuoto su scale estremamente piccole. Insomma, l’esperimento proposto da Gharibyan potrebbe fornire le prime misure dirette non solo della struttura dello spazio quantistico ma potrebbe offrire nuovi indizi sul comportamento della gravità in prossimità della scala di Planck.

ArXiv 1: Testing Planck scale gravity with accelerators

ArXiv 2: Possible Observation of Photon Speed Energy Dependence

Lo spaziotempo non è ‘schiumoso’

E’ quanto emerge da una serie di studi condotti dal fisico Robert Nemiroff della Michigan Technological University dopo aver analizzato il tragitto di tre fotoni di diversa lunghezza d’onda rivelati dal telescopio spaziale per raggi-gamma Fermi nel 2009.

I fotoni sono stati prodotti in seguito ad uno dei tre ‘lampi’ associati ad un gamma-ray burst situato ad una distanza di circa 7 miliardi di anni-luce e sono arrivati al telescopio spaziale Fermi separati da un intervallo di tempo pari a circa 1 millisecondo. L’informazione che deriva da questo studio suggerisce che lo spaziotempo non “ribolle” così come è stato suggerito da alcuni scienziati. Alcune teorie della gravità quantistica indicano che l’Universo non è regolare, piano o liscio ma assume una forma a schiuma, cioè è composto da unità fondamentali o di Planck che hanno una dimensione inferiore a un trilionesimo di trilionesimo del diametro dell’atomo di idrogeno. Queste unità di Planck sono così piccole che non esiste alcun modo di osservarle, tranne per via dei fotoni che vengono prodotti dai gamma-ray burst. Vediamo di spiegare meglio. Le lunghezze d’onda dei fotoni sono tra le dimensioni più piccole che si conoscano, così piccole che permettono ai fotoni di interagire su scale ancora più piccole di quella di Planck. In questo caso, i fotoni possono disperdersi durante il loro tragitto nella scala di Planck dove lo spaziotempo assume la forma a pixel. Inoltre, se le loro lunghezze d’onda differiscono, i fotoni si possono disperdere in modi diversi, allo stesso modo di una palla da ping-pong quando cadendo lungo una cavità può percorrere diverse traiettorie. Questo percorso casuale non può essere rivelato su distanze molto brevi ma può essere osservato solo dopo aver percorso distanze dell’ordine di alcuni miliardi di anni-luce una volta che le unità di Planck hanno disperso la radiazione. Dunque, i tre fotoni provenienti dallo stesso gamma-ray burst non dovrebbero arrivare al rivelatore del telescopio spaziale Fermi nello stesso istante, invece lo hanno fatto. “Abbiamo dimostrato che lo spaziotempo è regolare, piatto al livello della massa di Planck” spiega Nemiroff. “Questo vuol dire che non ci sono irregolarità che possono essere rivelate. E’ una scoperta fantastica e siamo molto entusiasti”.

ArXiv: Bounds on Spectral Dispersion from Fermi-detected Gamma Ray Bursts

Nature News: Cosmic race ends in a tie