Il fisico teorico moderno affronta una faticosa salita. "Man mano che impariamo di più, la realtà diventa sempre più sottile; l'assoluto diventa relativo, il fisso diventa dinamico, il definito è carico di incertezza, " scrive il fisico Yasha Neiman.

Professore e capo della Quantum Gravity Unit presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), è alle prese con questo enigma su base giornaliera. gravità quantistica, branca della fisica di Neiman, mira a unificare la meccanica quantistica, che descrive la natura alla scala degli atomi e delle particelle subatomiche, con la teoria della relatività generale di Einstein, la moderna teoria della gravitazione come curvatura dello spazio e del tempo. Come, lui chiede, i fisici possono scrivere equazioni quando la stessa geometria dello spazio diventa soggetta all'incertezza quantistica? gravità quantistica, l'attuale frontiera della teoria fondamentale, si è rivelato più difficile da districare rispetto ai concetti precedenti, secondo Neiman.

"Con il concetto di spazio che ci scivola tra le dita, cerchiamo appoggi alternativi su cui basare la nostra descrizione del mondo, " lui scrive.

Questa ricerca di appoggi alternativi è, in sostanza, una ricerca di un nuovo linguaggio per descrivere la realtà - ed è l'argomento del suo lavoro più recente, pubblicato in Journal of High Energy Physics . Nella carta, Neiman propone un nuovo punto di vista sulla geometria dello spazio e del tempo, che si basa su approcci consolidati in fisica, come l'olografia e la teoria del twistor, per raggiungere un nuovo terreno.

L'olografia è una propaggine della teoria delle stringhe, la teoria che l'universo sia costituito da oggetti unidimensionali chiamati stringhe, che è stato sviluppato alla fine degli anni '90. L'olografia immagina le estremità dell'universo come la superficie di una sfera infinitamente grande che forma il confine dello spazio. Anche se la geometria fluttua all'interno di questa sfera, questo "confine all'infinito" sulla superficie della sfera può rimanere fisso.

Negli ultimi 20 anni, l'olografia è stato uno strumento prezioso per condurre esperimenti di pensiero sulla gravità quantistica. Però, le osservazioni astronomiche hanno mostrato che questo approccio non può essere realmente applicato al nostro mondo. "L'espansione accelerata del nostro universo e la velocità finita della luce cospirano per limitare tutte le possibili osservazioni, presente o futuro, a una regione di spazio finita, anche se molto grande, "Neiman scrive.

In un mondo così, il confine all'infinito, dove si basa l'immagine olografica dell'universo, non ha più significato fisico. Potrebbe essere necessario un nuovo quadro di riferimento, uno che non tenti di trovare una superficie fissa nello spazio, ma che lascia del tutto lo spazio alle spalle.

Negli anni Sessanta, nel tentativo di comprendere la gravità quantistica, il fisico Roger Penrose ha proposto un'alternativa così radicale. Nella teoria del twistor di Penrose, i punti geometrici sono sostituiti da twistor, entità che assomigliano più da vicino a stirate, forme simili a raggi di luce. All'interno di questo spazio tortuoso, Penrose ha scoperto un modo altamente efficiente per rappresentare i campi che viaggiano alla velocità della luce, come i campi elettromagnetici e gravitazionali. Realtà, però, è composto da più di campi:qualsiasi teoria deve anche tenere conto delle interazioni tra i campi, come la forza elettrica tra le cariche, o, nel caso più complicato della Relatività Generale, attrazione gravitazionale derivante dall'energia del campo stesso. Però, includere le interazioni della Relatività Generale in questo quadro si è rivelato un compito formidabile.

Quindi possiamo esprimere in linguaggio twistor una teoria gravitazionale quantistica a tutti gli effetti, forse più semplice della Relatività Generale, ma tenendo pienamente conto sia dei campi che delle interazioni? Sì, secondo Neiman.

Il modello di Neiman si basa su una maggiore gravità di spin, un modello sviluppato da Mikhail Vasiliev negli anni '80 e '90. La gravità di spin più elevata può essere pensata come il "cugino minore" della teoria delle stringhe, "troppo semplice per riprodurre la Relatività Generale, ma molto istruttivo come parco giochi per le idee, come dice Neiman. In particolare, è perfettamente adatto per esplorare possibili ponti tra l'olografia e la teoria del twistor.

Da una parte, come scoperto da Igor Klebanov e Alexander Polyakov nel 2001, maggiore gravità di spin, proprio come la teoria delle stringhe, può essere descritto olograficamente. Il suo comportamento nello spazio può essere catturato completamente in termini di confine all'infinito. D'altra parte, le sue equazioni contengono variabili di tipo twistor, anche se questi sono ancora legati a punti particolari nello spazio ordinario.

Da questi punti di partenza, L'articolo di Neiman fa un ulteriore passo avanti, costruendo un dizionario matematico che lega insieme i linguaggi dell'olografia e della teoria del twistor.

"La matematica di fondo che fa funzionare questa storia riguarda le radici quadrate, " scrive Neiman. "Si tratta di identificare modi sottili in cui un'operazione geometrica, come una rotazione o una riflessione, può essere fatto "a metà". Una radice quadrata intelligente è come trovare una crepa in un muro solido, aprendolo in due, e rivelando un nuovo mondo."

L'uso delle radici quadrate in questo modo ha una lunga storia in matematica e fisica. Infatti, la forma intrinseca di tutte le particelle di materia, come elettroni e quark, nonché twistor, è descritto da una radice quadrata delle direzioni ordinarie nello spazio. In un sottile senso tecnico, Il metodo di Neiman per connettere lo spazio, il suo confine all'infinito, e lo spazio twistor, si riduce a prendere di nuovo una tale radice quadrata.

Neiman spera che la sua dimostrazione del concetto possa aprire la strada a una teoria quantistica della gravità che non si basi su un confine all'infinito.

"Ci vorrà molta creatività per scoprire il codice del mondo, " dice Neiman. "E c'è gioia nel armeggiarci intorno."