Un busto di Max Planck viene rapidamente spolverato. Planck è conosciuto come uno dei padri fondatori della teoria quantistica. Michael Gottschalk/AFP/Getty Images Più spesso che non, le domande che emergono nel corso della giornata sono quelle a cui tutti possiamo rispondere con sicurezza. Hai pranzato? Hai sentito la nuova canzone di Taylor Swift? È un confessionale su un ragazzo con cui è uscita una volta?
Ma quando iniziamo a riflettere sulle grandi domande - quella che affrontiamo oggi chiede se la meccanica quantistica e la relatività generale possano mai essere riconciliate - la nostra sicurezza in se stessi precipita. La meccanica quantistica non ha qualcosa a che fare con i pianeti? La relatività generale è quella con energia uguale alla massa per la velocità della luce al quadrato? Aspettare, era quella massa o movimento? O minuti. sono minuti, non è vero?
Niente paura. Sebbene a questa domanda sia estremamente difficile rispondere, la domanda in sé è semplice come decifrare il testo di una pop star. Prima di iniziare a risolvere l'universo irrisolvibile, scomponiamo i componenti.
Per prima cosa affrontiamo la meccanica quantistica. Ed è un buon punto di partenza, perché è lo studio di qualcosa di estremamente piccolo:materia e radiazione a livello atomico e subatomico. È stato davvero solo quando gli scienziati hanno iniziato a capire gli atomi che la vecchia fisica normale aveva bisogno di un po' di emendamento. Perché mentre gli scienziati osservavano gli atomi, non si comportavano come il resto dell'universo. Ad esempio, gli elettroni non orbitano attorno al nucleo come un pianeta in orbita attorno al sole - se è così, sarebbero sbandati nel nucleo [fonte:Stedl].
Divenne chiaro che la fisica classica non l'ha tagliata su scala atomica. Quindi la meccanica quantistica è nata dalla necessità di capire come i fenomeni molto piccoli agissero in modo diverso dalle Grandi Cose nella scienza. Quello che abbiamo scoperto è che qualcosa come un fotone può agire come una particella (che trasporta massa ed energia) e un'onda (che trasporta solo energia). Questo è un grosso problema:potrebbero essere due cose contemporaneamente. E significa che le parti più piccole dell'universo fluttuano drammaticamente, e senza alcun modo di conoscere la particolare posizione in qualsiasi momento.
Quindi ora capiamo che la meccanica quantistica essenzialmente ha spalancato il modo in cui pensiamo all'universo (quando si tratta della più piccola delle scale). Le particelle possono essere onde, ad esempio. Solo per aggiungere divertimento, il principio di indeterminazione della meccanica quantistica ci dice che non possiamo davvero dire dove si trova una particella o quanto velocemente si muove allo stesso tempo.
Einstein non ce l'aveva. L'idea che non potessimo davvero dire dove fosse una particella o cosa stesse facendo deve essere stata profondamente inquietante per un fisico dedito a definire il modo in cui funzionava l'universo - cosa che fece Einstein, con la teoria della relatività generale.
Ora non aver paura. La relatività generale ha due grandi idee:una sullo spazio e sul tempo, un altro sulla gravità. Come io e te lo vediamo, spazio e tempo sono sullo sfondo. Sono fissi. Esistono cronologicamente (e in un certo senso monoliticamente). Nella relatività generale, spazio e tempo sono una dimensione unificata (chiamata spazio-tempo, convenientemente). Ma ecco il punto:lo spazio-tempo può essere grande e unificato, ma non è appeso in sottofondo. La teoria della relatività generale afferma che lo spazio-tempo può essere influenzato dalla materia. Ciò significa che tu - come materia, esistenti -- stanno cambiando spazio e tempo.
OK, non esattamente. In realtà sono cose davvero grandi che stanno deformando lo spazio-tempo. Il Sole, ad esempio, sta curvando lo spazio-tempo verso di essa. E cosa implicherebbe? ah, esatto:i pianeti più piccoli cadrebbero in orbita attorno ad esso.
Il che ci porta alla gravità. Infatti, la relatività generale non era solo Einstein che dava una pacca sulla spalla a Newton e diceva:"Sì, Signore, la gravità è una cosa!" Invece, Einstein ci ha dato una ragione per la gravità:che la curvatura dello spazio-tempo ha fatto esistere la gravità, e ha fatto agire l'universo come ha fatto.
Allora, qual'è il problema? Einstein ci ha mostrato un modo strabiliante in cui funziona l'universo, e la meccanica quantistica ci mostra un modo affascinante in cui le particelle a livello atomico e subatomico funzionano. Sfortunatamente, l'uno non spiega l'altro. Il che significa che ci deve essere una teoria più ampia che li comprenda... o no?
Un buco nero potrebbe essere una delle migliori scommesse per capire come la meccanica quantistica e la relatività si relazionano tra loro. Nella foto qui è un grande buco nero che afferra il gas da una stella compagna. Immagine per gentile concessione della NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet Non possiamo capire come la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale possano riconciliarsi senza prima capire come, in questo momento, non lo facciano. Perché si scopre che nessuno dei due funziona davvero se l'altro è vero.
Einstein disse che lo spazio-tempo è una costante liscia, e che solo le cose grandi possono deformarlo. La meccanica quantistica diceva che le parti più piccole dell'universo sono costantemente, drammaticamente fluttuante e mutevole.
Se la meccanica quantistica è corretta e tutto è costantemente in movimento sfocato, allora la gravità non funzionerebbe nel modo previsto da Einstein. Lo spazio-tempo dovrebbe anche essere costantemente in contrasto con tutto ciò che lo circonda, e agirebbe di conseguenza. Inoltre, la meccanica quantistica diceva che non si poteva, con alcuna certezza, dichiarare un ordine prestabilito. Anziché, dovevi accontentarti di prevedere le probabilità.
D'altra parte, se la relatività generale è corretta, allora la materia non potrebbe fluttuare così selvaggiamente. Tu vorresti, ad un certo punto, essere in grado di sapere dove si trova tutta la materia ed esattamente dove sta andando. Quale, ancora, è in contrasto con la meccanica quantistica.
Ma state certi che gli scienziati, fisici ed esperti di poltrona allo stesso modo stanno cercando disperatamente di trovare un modo per riconciliare i due. Un capofila è la teoria delle stringhe, che dice invece di una particella che agisce come un punto, funge da stringa. Ciò significa che sarebbe in grado di ondeggiare, muoversi e fare un loop e generalmente fare tutti i tipi di cose che un punto non potrebbe. Potrebbe anche trasmettere la gravità a livello quantistico, e la diffusione delle particelle su una stringa renderebbe teoricamente un meno nervoso, atmosfera meno pazza. Che apre la teoria, Certo, concordare con la relatività generale. Ma tieni presente che la teoria delle stringhe non è mai stata confermata con nessun esperimento e c'è molto dibattito se può essere dimostrata del tutto.
Se dovesse verificarsi un esperimento così monumentale, probabilmente accadrebbe in un acceleratore di particelle. È lì che potremmo trovare superpartner. (No, non Batman e Robin). Superpartner fanno parte della teoria delle stringhe che dice che ogni particella ha una particella partner supersimmetrica che è instabile e che ruota in modo diverso (ad esempio, l'elettrone e il selettore o il gravitone e il gravitino). fortunati per noi, nel 2010 abbiamo trovato prove del nostro primo bosone di Higgs quando le particelle si schiantavano insieme nel Large Hadron Collider, quindi potremmo essere sulla buona strada per dimostrare sperimentalmente la teoria delle stringhe.
Anche lo spin potrebbe aiutarci a sperimentare entanglement quantistico , dove gli elettroni vengono catturati nella rotazione dell'altro. È facile vedere in piccoli spazi, ma gli scienziati stanno lavorando per inviare fotoni nello spazio e tornare indietro per misurare come funziona su una grande distanza - e curvatura - di spazio e tempo.
Ma potremmo anche guardare ai buchi neri per scoprire una Teoria del Tutto (un TOE!). In un buco nero, hai una cosa davvero pesante (una stella, a cui si applica la relatività generale) e una cosa davvero piccola (il minuscolo puntino in cui è schiacciato, che la meccanica quantistica spiega). Quindi, se possiamo determinare cosa succede, o cosa cambia, quando il grande diventa piccolo, potremmo semplicemente conciliare la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale.
Qualche volta, Vorrei che il titolo di un articolo fosse solo un disclaimer:"Non abbiate paura di questo argomento". È un peccato che queste Grandi Idee -- le teorie di Einstein, meccanica quantistica:hanno la reputazione di essere al di là della comprensione del pubblico. Sicuro, la matematica dietro è oltre la maggior parte di noi, ma si possono afferrare le idee senza di essa. Non ci sono draghi in fisica; non aver paura di scoprire ciò che non sai.
