Gravità quantistica: la sfida di unire spazio, tempo e particelle. Scenari futuri e difficoltà

La gravità è il tappeto su cui si intreccia il grande spettacolo dell’Universo: tiene insieme pianeti e stelle, plasma la struttura delle galassie e scandisce persino l’espansione del cosmo. Eppure, quando i fisici tentano di descriverla con i principi della meccanica quantistica — la teoria che governa il mondo delle particelle subatomiche — qualcosa va storto. Tutto il resto della fisica, dalle interazioni elettromagnetiche a quelle nucleari, è interpretato perfettamente dalla meccanica quantistica; la gravità invece rimane al di fuori di questo quadro. È come se l’Universo parlasse due linguaggi: uno relativistico e uno quantistico. La ricerca di una “gravità quantistica” è il tentativo di fondere questi linguaggi in un’unica “teoria del tutto”.

Che cos’è la gravità quantistica

La gravità quantistica è lo studio e la ricerca di una teoria che descriva la forza di gravità nello stesso formalismo della meccanica quantistica. Oggi la gravità è compresa attraverso la Relatività Generale di Einstein, che vede lo spazio-tempo come un tessuto continuo e deformabile in presenza di massa-energia. La meccanica quantistica, invece, descrive le particelle e le forze fondamentali come quanti di campi — entità discrete, governate da probabilità e principi di indeterminazione. Mettere insieme un concetto continuo (lo spazio-tempo della Relatività Generale) con uno quantizzato (le particelle della meccanica quantistica) è la grande sfida.

Le ultime novità e i “luoghi” dove cercare la gravità quantistica

Negli ultimi decenni, i fisici hanno cercato indizi di un comportamento quantistico della gravità in diversi contesti:

1. Primissimi istanti dell’Universo
   Nei primi attimi dopo il Big Bang, l’Universo era talmente denso e caldo che le strutture dello spazio-tempo si confondevano con l’energia e la materia. È lì che relatività e quanti si mescolano al massimo grado.
2. Buchi neri
   I buchi neri sono laboratori teorici ideali: la curvatura dello spazio-tempo è estrema, e gli effetti quantistici potrebbero manifestarsi in modi inaspettati, specialmente nei dintorni della singolarità al loro interno o all’orizzonte degli eventi.
3. Onde gravitazionali e possibili deviazioni dai modelli classici
   Le rilevazioni di onde gravitazionali (premio Nobel per la Fisica nel 2017) potrebbero un giorno rivelare segni di correzioni quantistiche, anche se per ora la sensibilità degli strumenti non è ancora sufficiente a cogliere questi minuscoli effetti.

Principali correnti di pensiero

La ricerca di una teoria di gravità quantistica si è espressa in diverse correnti, ognuna con il proprio linguaggio matematico e filosofico.

1. Teoria delle Stringhe (String Theory)
   Secondo la teoria delle stringhe, le particelle elementari non sono punti ma piccole stringhe che vibrano in un universo di dimensioni extra (fino a dieci o undici). La gravità emergerebbe in modo naturale come uno dei possibili modi di vibrazione di queste stringhe, identificato col gravitone (il quanto di gravità). Figure di spicco: Edward Witten, Leonard Susskind, Juan Maldacena, Cumrun Vafa.
2. Loop Quantum Gravity (LQG)
   Qui lo spazio-tempo è quantizzato in “loop” o reti di spin (spin networks), strutture discrete che compongono il tessuto della realtà. Carlo Rovelli e Lee Smolin sono tra i pionieri di questo approccio, che punta a quantizzare direttamente la geometria dello spazio-tempo partendo dalla Relatività Generale, senza introdurre entità come le stringhe. L’idea è che lo spazio-tempo abbia una struttura granulare a livello di Planck.
3. Causal Dynamical Triangulations (CDT)
   Approccio più geometrico in cui si cerca di ricostruire lo spazio-tempo a partire da blocchetti fondamentali (simplici), come se si trattasse di piccoli tetraedri cuciti insieme. Figura di rilievo: Renate Loll.
4. Teoria della Gravitazione Emergente
   Alcuni fisici, come Erik Verlinde, credono che la gravità non sia affatto una forza fondamentale, ma il risultato emergente di dinamiche termodinamiche o entropiche. Questo approccio è ancora controverso ma riceve sempre più attenzione in alcuni contesti.

I protagonisti della ricerca

• Albert Einstein (1879 – 1955): il padre della Relatività Generale, colui che per primo intuì la necessità di unificare i concetti di spazio e tempo.
• John Wheeler (1911 – 2008): pioniere della gravità quantistica, ideò il concetto di “spazio-tempo schiumoso” (foam) a scale microscopiche.
• Bryce DeWitt (1923 – 2004): coautore dell’equazione di Wheeler-DeWitt, una delle prime formule che tentano di quantizzare la gravità.
• Stephen Hawking (1942 – 2018): i suoi studi su buchi neri e radiazione di Hawking hanno mostrato possibili effetti quantistici in regime gravitazionale estremo.
• Carlo Rovelli, Lee Smolin e Abhay Ashtekar: principali esponenti della Loop Quantum Gravity.
• Edward Witten, Leonard Susskind, Juan Maldacena: tra i massimi studiosi della Teoria delle Stringhe.
• Renate Loll: pioniera delle Causal Dynamical Triangulations.

Scenari futuri e difficoltà

Non esiste ancora un esperimento diretto che confermi o smentisca una data teoria di gravità quantistica, e i motivi sono diversi:

1. Energie estreme: per rivelare effetti quantistici della gravità occorrerebbe ricreare in laboratorio scale di energia paragonabili a quelle del Big Bang o dei buchi neri.
2. Scale di Planck: la lunghezza di Planck è così piccola da essere fuori dalla portata delle tecnologie attuali.
3. Difficoltà matematiche: unire relatività e quanti richiede nuovi strumenti e paradigmi matematici.

Eppure, passi avanti si intravedono: alcuni propongono test astrofisici o cosmologici (come segnali di eventuali particelle ultraleggere, i “gravitoni”), altri confidano in un miglioramento degli interferometri per onde gravitazionali o in nuove missioni spaziali di altissima precisione.

Al confine tra scienza e immaginazione

La gravità quantistica si trova al confine tra scienza e filosofia, tra spazio e particelle, tra matematica e immaginazione. Molti dei più brillanti fisici teorici del nostro tempo si interrogano su come unificare la Relatività Generale di Einstein e la meccanica quantistica: alcuni percorrendo la strada delle stringhe, altri quella dei loop, altri ancora costruendo spazio-tempi con blocchetti elementari. La corsa alla gravità quantistica è un viaggio affascinante, poiché costringe a mettere in discussione non solo la natura della materia e dell’energia, ma lo stesso concetto di realtà.

Forse la soluzione definitiva sarà diversa da tutte quelle proposte fino a ora, o forse nascerà proprio dalla fusione di più idee. Ma è certo che, qualunque sia la forma finale di una teoria di gravità quantistica, essa cambierà radicalmente il nostro modo di capire l’Universo, rivelando un mondo in cui lo spazio-tempo non è solo lo scenario del cosmo, ma il più intrinseco e cangiante atto di creazione che accompagna ogni singolo quanto di esistenza. Una nuova “equazione di Einstein”, che oggi non possediamo ancora, potrebbe nascere dall’ispirazione di chi, come il grande fisico tedesco, non ha mai smesso di stupirsi di fronte allo straordinario spettacolo dell’Universo.

Stefano Camilloni