La contraddizione nel cuore della fisica

Dai laser, microscopi elettronici e orologi atomici alle tecniche di imaging medico e alla moderna elettronica con i suoi semiconduttori: senza la meccanica quantistica, molte tecnologie sarebbero oggi impensabili. Quasi nessun'altra teoria scientifica è stata confermata con tanta frequenza e precisione dalla sua fondazione, avvenuta 100 anni fa. Tre delle quattro forze fondamentali della fisica che tengono insieme il mondo su piccola scala si basano su concetti della fisica quantistica: l'elettromagnetismo, responsabile di fenomeni quotidiani come la luce, l'elettricità e il magnetismo, la forza nucleare forte, che tiene insieme gli atomi, e la forza nucleare debole, che causa il decadimento radioattivo dei nuclei atomici.

La quarta forza fondamentale della fisica, che tiene insieme il nostro universo e spiega il comportamento dei pianeti, rimane ancora oggi un mistero per la meccanica quantistica: la gravità. Per quanto la meccanica quantistica spieghi bene l'interazione delle particelle a livello microscopico, raggiunge i suoi limiti quando si tratta di oggetti più grandi, soggetti alla gravità. "Nonostante i numerosi tentativi di luminari come Albert Einstein, Richard Feynman e Stephen Hawking, non è stato ancora possibile spiegare la gravità in termini di fisica quantistica", afferma Renato Renner, professore di fisica teorica all'ETH di Zurigo. Nel mondo macroscopico, esiste ancora una teoria che, come la meccanica quantistica, è stata confermata da numerosi esperimenti per Chi siamo: la teoria generale della relatività di Albert Einstein. Senza di essa, né i nostri dispositivi GPS né i nostri orologi funzionerebbero con precisione.

Tutto va bene nel regno della fisica, si potrebbe pensare. Ma non è così: perché la descrizione del molto piccolo non si adatta al quadro del molto grande. "La teoria generale della relatività non è compatibile con i principi della meccanica quantistica", afferma Renner. Per questo molti fisici sognano da decenni di unificare le due teorie in un quadro unificato del mondo fisico. Finora invano.

Curvatura dello spazio-tempo

Nel 1915, Albert Einstein pubblica la sua Teoria generale della relatività, scuotendo la nostra visione tradizionale del mondo. A differenza di Isaac Newton, quasi 200 anni prima di lui, non descrive più la gravità come una forza che dipende dalla massa e dalla distanza di due pianeti, ma introduce un nuovo concetto nella fisica: lo spaziotempo. "Einstein fonde lo spazio tridimensionale che conosciamo con il tempo in un'entità matematica a quattro dimensioni. Spiega la gravità in modo geometrico attraverso la curvatura dello spazio-tempo", afferma l'ETH Renner.

Secondo questa teoria, gli oggetti pesanti come i pianeti creano ammaccature nello spazio-tempo. La loro geometria determina a sua volta il modo in cui gli oggetti si muovono al loro interno. In parole povere: lo spazio-tempo è come un trampolino sul quale una palla pesante crea una ammaccatura. Se si posiziona una pallina da tennis sul bordo, questa rotola lungo la curva verso la palla pesante. Il concetto di spazio-tempo può spiegare, ad esempio, perché gli orologi girano più velocemente in un aereo che sulla terra. Anche l'orbita speciale con cui il pianeta Mercurio orbita intorno al sole non è più un mistero grazie alla teoria di Einstein.

La nebulosità del mondo quantistico

Più o meno nello stesso periodo di Einstein, fisici come Werner Heisenberg, Niels Bohr ed Erwin Schr?dinger hanno sconvolto la nostra visione del mondo su piccola scala. Laddove elettroni, protoni e altre particelle elementari sono costantemente in movimento, attraendosi e respingendosi, prevalgono le loro leggi. Mentre possiamo calcolare le orbite dei pianeti con le formule di Einstein con la stessa precisione con cui orbitano intorno al sole su rotaie, questa univocità non si applica più agli oggetti del mondo quantistico. Nel microcosmo degli atomi e delle particelle non esistono orbite di questo tipo e il determinismo della fisica classica è sostituito da affermazioni probabilistiche. "Un elettrone o un protone possono trovarsi in più luoghi allo stesso tempo. Solo quando lo misuriamo ha una posizione specifica. Possiamo solo determinare in anticipo una distribuzione di probabilità", spiega l'ETH Anna Soter, che fa ricerca all'Istituto di fisica delle particelle.

Tuttavia, la relatività generale non prevede tale incertezza. Infatti, se una particella si trova in più luoghi contemporaneamente, non è più possibile calcolare dove crea l'ammaccatura nello spazio-tempo. ? indiscutibile che anche gli oggetti più piccoli piegano lo spazio-tempo e quindi influenzano la gravità. Dopo tutto, hanno una massa, proprio come gli oggetti più grandi. Poiché la Terra è in definitiva costituita da particelle, molti fisici ritengono che la teoria generale della relatività debba essere integrata nella meccanica quantistica. Tuttavia, non è ancora chiaro come la gravità possa derivare da queste particelle e dai loro movimenti confusi.