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L’obiettivo più complicato della fisica

Nel corso dei secoli, i fisici hanno fatto passi da gigante verso la comprensione della realtà collegando tutta una serie di fenomeni fisici che appaiono molto differenti. Ricordiamo che una storia della fisica di grande successo, avvenuta nel corso del 19° secolo, fu l’unificazione dell’elettricità e magnetismo in un’unica entità che ora chiamiamo interazione elettromagnetica. Poi, i fisici unificarono un’altra forza con l’elettromagnetismo, la forza debole, il che portò alla formulazione della teoria dell’interazione elettrodebole. Oggi, alcuni scienziati ritengono che il passo successivo, e di conseguenza quello più logico, sia la descrizione di tutte e quattro le forze fondamentali della natura nell’ambito di un singolo quadro matematico: stiamo parlando della famigerata teoria del tutto.
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La strada verso l’unificazione delle due più grandi teorie della fisica moderna

Albert Einstein e Niels Bohr
Sung-Sik Lee, un professore associato di fisica del Perimeter Institute, ritiene che uno dei metodi utilizzati per lo studio della materia potrebbe costituire la chiave verso l’unificazione della relatività generale e della meccanica quantistica. Sappiamo che da un lato la relatività generale descrive il moto dei pianeti attorno al Sole mentre la meccanica quantistica ci spiega come si muovono gli elettroni attorno al nucleo atomico. Ad oggi, possiamo affermare senza alcun dubbio che entrambe le teorie rappresentano due grandi trionfi della fisica moderna e le loro previsioni sono state varie volte verificate sperimentalmente. Ma c’è un problema: non possiamo utilizzarle insieme.

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La forza di gravità in uno spazio a due dimensioni

Image credit: Kyle Bean/Scientific American

Come si comporterebbe la gravità nelle due dimensioni? Abbiamo detto più volte che la forza di gravità è una sorta di ‘naufrago’ della fisica. Da circa un secolo, i fisici stanno tentando di trovare una descrizione matematica che permetta di unificare la forza di gravità con le altre tre forze della natura. Nonostante ciò, uno degli aspetti più promettenti della ricerca è quello di vedere come si comporta la gravità in uno spazio a due dimensioni. Semplificando il problema, i fisici sperano di arrivare all’essenza di ciò che è in definitiva la forza di gravità in modo di applicare la ‘lezione’ ad una situazione caratterizzata da uno spazio a più di due dimensioni. Sin da quando è nata come vera e propria scienza, la fisica ha sempre cercato di unificare i fenomeni naturali. Isaac Newton dimostrò che la forza che fa cadere una mela al suolo è la stessa che tiene la Luna in orbita attorno alla Terra e quindi i pianeti attorno al Sole. James Clerk Maxwell unificò i fenomeni elettrici e quelli magnetici con la luce in una singola descrizione nota come elettromagnetismo. Albert Einstein unificò i concetti di spazio e di tempo nel continuo spaziotempo quadridimensionale. Infine, circa un secolo più tardi, i fisici aggiunsero all’elettromagnetismo la forza nucleare debole derivando l’unificazione della forza elettrodebole. Oggi, l’idea dell’unificazione delle leggi della fisica rappresenta uno degli aspetti più curiosi e sorprendenti della ricerca che sta portando gli scienziati verso una descrizione totale dei fenomeni naturali. Steven Carlip dell’Università della California a Davis, spiega come per fare questo i fisici stanno cercando una scorciatoia per semplificare il problema. La domanda è: Che cosa succede se lo spazio ha 2 dimensioni anziché le 3 dimensioni a cui siamo abituati? In altre parole, come si comporterebbe la forza di gravità in uno spazio a 2 dimensioni? A prima vista questa situazione sembrerebbe alquanto noiosa dato che la gravità si troverebbe talmente circoscritta che eventuali onde gravitazionali potrebbero non propagarsi e quindi non avrebbe senso parlare di gravità quantistica. Ma i fisici hanno scoperto che ciò non è del tutto vero. Se da un lato le onde gravitazionali non produrrebbero delle deformazioni nella struttura dello spaziotempo, dall’altro sarebbe l’intero Universo ad assumere una struttura distorta. Insomma, pare che la descrizione quantistica della gravità che ne risulta permetta di risolvere una serie di enigmi come ad esempio quello relativo alla nascita del tempo da una situazione fisica dove, invece, non è richiesto il tempo.

Qui di seguito una breve presentazione dell’articolo da parte di George Musser, Senior Editor di Scientific American

Scientific American: Quantum Gravity in Flatland