Proprio come le interazioni tra i granelli di sabbia formano una superficie liscia sulla spiaggia, lo spaziotempo a noi noto potrebbe essere il risultato delle relazioni tra i quark ei loro conglomerati. Credito:IFJ PAN
La maggior parte dei fisici crede che la struttura dello spaziotempo si sia formata in modo sconosciuto alla scala di Planck, cioè., su una scala vicina al trilionesimo di trilionesimo di metro. Però, attente considerazioni minano questa previsione. Ci sono parecchi argomenti a favore dell'emergere dello spaziotempo come risultato di processi che avvengono a livello dei quark e dei loro conglomerati.
Che cos'è lo spaziotempo? L'assoluto, arena immutabile di eventi? O forse è una creazione dinamica, emergendo in qualche modo su una certa scala di distanza, tempo o energia. I riferimenti all'assoluto non sono i benvenuti nella fisica di oggi. È opinione diffusa che lo spaziotempo sia emergente. Non è chiaro, però, dove si svolge il processo della sua comparsa. La maggior parte dei fisici tende a supporre che lo spaziotempo sia creato sulla scala di Planck, a distanze prossime a un trilionesimo di trilionesimo di metro (~10-35 m). Nel suo articolo in Fondamenti della scienza , Il professor Piotr Zenczykowski dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia sistematizza le osservazioni di molti autori sulla formazione dello spaziotempo, e sostiene che l'ipotesi sulla sua formazione alla scala dei quark e degli adroni (o aggregati di quark) è abbastanza sensata per una serie di ragioni.
Le domande sulla natura dello spazio e del tempo hanno sconcertato l'umanità almeno fin dall'antichità. Lo spazio e il tempo sono separati dalla materia, creando un "contenitore" per moti ed eventi che si verificano con la partecipazione di particelle, come proponeva Democrito nel V secolo a.C.? O forse sono attributi della materia e non potrebbero esistere senza di essa, come suggerì Aristotele un secolo dopo? Nonostante il passare dei millenni, questi problemi non sono stati ancora risolti. Inoltre, entrambi gli approcci, anche se contraddittorio, sono profondamente radicati nei pilastri della fisica moderna.
Nella meccanica quantistica, gli eventi si svolgono in un'arena rigida con un tempo che scorre uniformemente. Nel frattempo, nella teoria della relatività generale, la materia deforma lo spaziotempo elastico (allungandolo e torcendolo), e lo spaziotempo dice alle particelle come muoversi. In altre parole, in una teoria, gli attori entrano in un palcoscenico già preparato per recitare i loro ruoli, mentre nell'altro, creano la scenografia durante la performance, che a sua volta influenza il loro comportamento.
Nel 1899, Il fisico tedesco Max Planck notò che con certe combinazioni di alcune costanti di natura, si potrebbero ottenere unità di misura molto fondamentali. Solo tre costanti:la velocità della luce c, la costante gravitazionale G e la costante di Planck h erano sufficienti per creare unità di distanza, tempo e massa, uguale (rispettivamente) a 1,62 · 10 -35 m, 5.39 · 10 -44 se 2.18 · 10 -5 G. Secondo la credenza prevalente di oggi, lo spaziotempo sarebbe stato creato alla lunghezza di Planck. Infatti, non ci sono argomenti sostanziali per la razionalità di questa ipotesi.
Sia i nostri esperimenti più sofisticati che le descrizioni teoriche raggiungono la scala dei quark, cioè., il livello di 10 -18 m. Quindi come facciamo a sapere che lungo la strada per la lunghezza di Planck, oltre una dozzina di fila, ordini di grandezza sempre più piccoli:lo spaziotempo mantiene la sua struttura? Infatti, non siamo nemmeno sicuri se il concetto di spaziotempo sia razionale a livello di adroni! Le divisioni non possono essere eseguite a tempo indeterminato, perché a un certo punto la questione della parte successiva più piccola semplicemente cessa di avere senso. Un esempio perfetto qui è la temperatura. Questo concetto funziona molto bene su una scala macro, ma quando, dopo successive divisioni di materia, raggiungiamo la scala delle singole particelle, perde la sua ragion d'essere.
"Attualmente, cerchiamo prima di costruire un quantizzato, spazio-tempo discreto, e poi "popolarlo" con materia discreta. Però, se lo spaziotempo fosse un prodotto di quark e adroni, la dipendenza sarebbe invertita:il carattere discreto della materia dovrebbe quindi rafforzare la discrezione dello spaziotempo, " dice il prof. Zenczykowski. "Planck era guidato dalla matematica. Voleva creare unità dal minor numero di costanti possibili. Ma la matematica è una cosa, e il rapporto con il mondo reale è un altro. Per esempio, il valore della massa di Planck sembra sospetto. Ci si aspetterebbe che abbia un valore un po' più caratteristico per il mondo dei quanti. Intanto, corrisponde a circa un decimo della massa di una pulce, che è certamente un oggetto classico."
Poiché vogliamo descrivere il mondo fisico, dovremmo propendere per argomenti fisici piuttosto che matematici. Quindi quando si usano le equazioni di Einstein, descriviamo l'universo su larga scala, e diventa necessario introdurre un'ulteriore costante gravitazionale, nota come costante cosmologica Lambda. Perciò, mentre si costruiscono unità fondamentali, se espandiamo l'insieme originale di tre costanti di Lambda, nel caso delle masse, otteniamo non uno ma tre valori fondamentali:1.39 · 10 -65 G, 2.14 · 10 56 G, e 0,35 · 10 -24 G. Il primo di questi potrebbe essere interpretato come un quanto di massa, il secondo è a livello della massa dell'universo osservabile, e il terzo è simile alle masse degli adroni (ad esempio, la massa di un neutrone è 1,67 · 10 -24 G). Allo stesso modo, dopo aver preso in considerazione Lambda, un'unità di distanza di 6,37 · 10- 15 mi appare, molto vicino alla dimensione degli adroni.
"Giocare con le costanti, però, può essere rischioso, perché molto dipende da quali costanti scegliamo. Per esempio, se lo spaziotempo fosse davvero un prodotto di quark e adroni, quindi le sue proprietà, compresa la velocità della luce, dovrebbe anche essere emergente. Ciò significa che la velocità della luce non dovrebbe essere tra le costanti di base, " dice il prof. Zenczykowski.
Un altro fattore a favore della formazione dello spaziotempo alla scala dei quark e degli adroni sono le proprietà delle stesse particelle elementari. Per esempio, il Modello Standard non spiega perché ci siano tre generazioni di particelle, da dove vengono le loro masse, o perché ci sono i cosiddetti numeri quantici interni, che includono isospin, ipercarica e colore. Nella foto presentata dal Prof. Zenczykowski, questi valori possono essere collegati a un certo spazio a sei dimensioni creato dalle posizioni delle particelle e dai loro momenti. Lo spazio così costruito assegna la stessa importanza alle posizioni delle particelle (materia) e ai loro movimenti (processi). Si scopre che le proprietà delle masse o dei numeri quantici interni possono quindi essere una conseguenza delle proprietà algebriche dello spazio 6D. Cosa c'è di più, queste proprietà spiegherebbero anche l'impossibilità di osservare i quark liberi.
"L'emergere dello spaziotempo può essere associato a cambiamenti nell'organizzazione della materia che si verificano su una scala di quark e adroni nel più primario, spazio delle fasi a sei dimensioni. Però, non è molto chiaro cosa fare dopo con questa immagine. Ogni passo successivo richiederebbe di andare oltre ciò che sappiamo. E non conosciamo nemmeno le regole del gioco che la natura sta giocando con noi, dobbiamo ancora indovinarle. Però, sembra molto ragionevole che tutte le costruzioni inizino con la materia, perché è qualcosa di fisico e sperimentalmente disponibile. In questo approccio, lo spaziotempo sarebbe solo la nostra idealizzazione delle relazioni tra elementi della materia, " dice il prof. Zenczykowski.
