La scrivania di Albert Einstein si trova ancora al secondo piano del dipartimento di fisica di Princeton. Posizionato davanti a una lavagna dal pavimento al soffitto ricoperta di equazioni, la scrivania sembra incarnare lo spirito del genio dai capelli crespi mentre chiede agli attuali occupanti del dipartimento, "Così, hai già risolto?"

Einstein non ha mai raggiunto il suo obiettivo di una teoria unificata per spiegare il mondo naturale in un unico, quadro coerente. Nel corso dell'ultimo secolo, i ricercatori hanno messo insieme i collegamenti tra tre delle quattro forze fisiche conosciute in un "modello standard, "ma la quarta forza, gravità, è sempre rimasto solo.

Non più. Grazie alle intuizioni fatte dai membri della facoltà di Princeton e da altri che si sono formati qui, la gravità viene introdotta dal freddo, anche se in un modo non lontanamente vicino a come l'aveva immaginata Einstein.

Sebbene non sia ancora una "teoria del tutto, "questo quadro, stabilito più di 20 anni fa e ancora in fase di compilazione, rivela modi sorprendenti in cui la teoria della gravità di Einstein si relaziona ad altre aree della fisica, dando ai ricercatori nuovi strumenti con cui affrontare questioni sfuggenti.

L'intuizione chiave è che la gravità, la forza che riporta le palle da baseball sulla Terra e governa la crescita dei buchi neri, è matematicamente correlabile alle buffonate peculiari delle particelle subatomiche che compongono tutta la materia intorno a noi.

Questa rivelazione consente agli scienziati di utilizzare un ramo della fisica per comprendere altre aree della fisica apparentemente non correlate. Finora, questo concetto è stato applicato ad argomenti che vanno dal motivo per cui i buchi neri hanno una temperatura elevata a come il battito d'ali di una farfalla può causare una tempesta dall'altra parte del mondo.

Questa affinità tra gravità e particelle subatomiche fornisce una sorta di stele di Rosetta per la fisica. Fai una domanda sulla gravità, e otterrai una spiegazione espressa in termini di particelle subatomiche. E viceversa.

"Questa si è rivelata un'area incredibilmente ricca, " disse Igor Klebanov, Eugene Higgins professore di fisica di Princeton, che ha generato alcune delle prime intuizioni in questo campo negli anni '90. "Si trova all'intersezione di molti campi della fisica."

Da piccoli pezzi di spago

I semi di questa corrispondenza sono stati cosparsi negli anni '70, quando i ricercatori stavano esplorando minuscole particelle subatomiche chiamate quark. Queste entità nidificano come bambole russe all'interno di protoni, che a loro volta occupano gli atomi che compongono tutta la materia. Al tempo, i fisici hanno trovato strano che non importa quanto duramente schiacci due protoni insieme, non puoi rilasciare i quark:rimangono confinati all'interno dei protoni.

Una persona che lavorava sul confinamento dei quark era Alexander Polyakov, Joseph Henry Professore di Fisica di Princeton. Si scopre che i quark sono "incollati insieme" da altre particelle, chiamati gluoni. Per un po, i ricercatori pensavano che i gluoni potessero assemblarsi in stringhe che legano i quark tra loro. Polyakov intravide un legame tra la teoria delle particelle e la teoria delle stringhe, ma il lavoro era nelle parole di Polyakov, "ondulato a mano" e non aveva esempi precisi.

Nel frattempo, l'idea che le particelle fondamentali siano in realtà minuscoli frammenti di corda vibrante stava prendendo piede, e verso la metà degli anni '80, La "teoria delle stringhe" aveva preso al laccio l'immaginazione di molti importanti fisici. L'idea è semplice:proprio come una corda di violino vibrante dà origine a note diverse, la vibrazione di ogni corda predice la massa e il comportamento di una particella. La bellezza matematica era irresistibile e portò a un'ondata di entusiasmo per la teoria delle stringhe come un modo per spiegare non solo le particelle, ma l'universo stesso.

Uno dei colleghi di Polyakov era Klebanov, che nel 1996 è stato professore associato a Princeton, aver conseguito il dottorato di ricerca. a Princeton un decennio prima. Quell'anno, Klebanov, con lo studente laureato Steven Gubser e la ricercatrice associata Amanda Peet, usava la teoria delle stringhe per fare calcoli sui gluoni, e poi hanno confrontato le loro scoperte con un approccio della teoria delle stringhe per comprendere un buco nero. Sono stati sorpresi di scoprire che entrambi gli approcci hanno prodotto una risposta molto simile. Un anno dopo, Klebanov ha studiato i tassi di assorbimento dei buchi neri e ha scoperto che questa volta erano esattamente d'accordo.

Quel lavoro era limitato all'esempio dei gluoni e dei buchi neri. Ci è voluta un'intuizione di Juan Maldacena nel 1997 per tirare i pezzi in una relazione più generale. A quel tempo, Maldacena, che aveva conseguito il dottorato di ricerca. a Princeton un anno prima, era un assistente professore ad Harvard. Ha rilevato una corrispondenza tra una forma speciale di gravità e la teoria che descrive le particelle. Vedendo l'importanza della congettura di Maldacena, una squadra di Princeton composta da Gubser, Klebanov e Polyakov hanno seguito con un documento correlato formulando l'idea in termini più precisi.

Un altro fisico che fu subito preso dall'idea fu Edward Witten dell'Institute for Advanced Study (IAS), un centro di ricerca indipendente situato a circa un miglio dal campus universitario. Ha scritto un documento che ha ulteriormente formulato l'idea, e la combinazione dei tre documenti alla fine del 1997 e all'inizio del 1998 ha aperto le porte.

"Era un tipo di connessione fondamentalmente nuovo, " disse Witten, un leader nel campo della teoria delle stringhe che aveva conseguito il dottorato di ricerca. a Princeton nel 1976 ed è visiting lecturer con il grado di professore di fisica a Princeton. "Venti anni dopo, non siamo riusciti a capirlo completamente".

Due facce della stessa moneta

Questa relazione significa che le interazioni tra gravità e particelle subatomiche sono come due facce della stessa medaglia. Da un lato c'è una versione estesa della gravità derivata dalla teoria della relatività generale di Einstein del 1915. Dall'altro lato c'è la teoria che descrive approssimativamente il comportamento delle particelle subatomiche e le loro interazioni.

Quest'ultima teoria include il catalogo di particelle e forze nel "modello standard" (vedi barra laterale), un quadro per spiegare la materia e le sue interazioni che è sopravvissuto a test rigorosi in numerosi esperimenti, anche al Large Hadron Collider.

Nel modello standard, i comportamenti quantistici sono incorporati. Il nostro mondo, quando scendiamo al livello delle particelle, è un mondo quantistico.

Notevolmente assente dal modello standard è la gravità. Eppure il comportamento quantistico è alla base delle altre tre forze, allora perché la gravità dovrebbe essere immune?

Il nuovo quadro introduce gravità nella discussione. Non è esattamente la gravità che conosciamo, ma una versione leggermente deformata che include una dimensione extra. L'universo che conosciamo ha quattro dimensioni, i tre che individuano un oggetto nello spazio:l'altezza, larghezza e profondità della scrivania di Einstein, per esempio, più la quarta dimensione del tempo. La descrizione gravitazionale aggiunge una quinta dimensione che fa curvare lo spaziotempo in un universo che include copie del familiare spazio piatto quadridimensionale ridimensionate in base a dove si trovano nella quinta dimensione. Questo strano, lo spaziotempo curvo è chiamato spazio anti-de Sitter (AdS) in onore del collaboratore di Einstein, olandese
l'astronomo Willem de Sitter.

La svolta alla fine degli anni '90 fu che i calcoli matematici del bordo, o confine, di questo spazio anti-de Sitter può essere applicato a problemi che coinvolgono comportamenti quantistici di particelle subatomiche descritti da una relazione matematica chiamata teoria del campo conforme (CFT). Questa relazione fornisce il collegamento, che Polyakov aveva intravisto prima, tra la teoria delle particelle in quattro dimensioni spazio-temporali e la teoria delle stringhe in cinque dimensioni. La relazione ora ha diversi nomi che mettono in relazione la gravità con le particelle, ma la maggior parte dei ricercatori la chiama corrispondenza AdS/CFT (pronunciata A-D-S-C-F-T).

Affrontare le grandi domande

Questa corrispondenza, si scopre, ha molti usi pratici. Prendi i buchi neri, Per esempio. Il defunto fisico Stephen Hawking ha sorpreso la comunità dei fisici scoprendo che i buchi neri hanno una temperatura che si verifica perché ogni particella che cade in un buco nero ha una particella entangled che può fuoriuscire sotto forma di calore.

Utilizzando AdS/CFT, Tadashi Takayanagi e Shinsei Ryu, poi all'Università della California-Santa Barbara, scoperto un nuovo modo di studiare

intreccio in termini di geometria, estendendo le intuizioni di Hawking in un modo che gli esperti considerano piuttosto notevole.

In un altro esempio, i ricercatori stanno usando AdS/CFT per definire la teoria del caos, che dice che un evento casuale e insignificante come il battito delle ali di una farfalla potrebbe comportare enormi cambiamenti a un sistema su larga scala come un lontano uragano. È difficile calcolare il caos, ma i buchi neri, che sono alcuni dei sistemi quantistici più caotici possibili, potrebbero aiutare. Lavoro di Stephen Shenker e Douglas Stanford alla Stanford University, insieme a Maldacena, dimostra come, tramite AdS/CFT, i buchi neri possono modellare il caos quantistico.

Una domanda aperta che Maldacena spera che la corrispondenza AdS/CFT risponda è la domanda su come sia all'interno di un buco nero, dove risiede una regione infinitamente densa chiamata singolarità. Finora, la relazione ci dà un'immagine del buco nero visto dall'esterno, disse Maldacena, che ora è il Professor Carl P. Feinberg alla IAS.

"Speriamo di capire la singolarità all'interno del buco nero, "Ha detto Maldacena. "Capire questo probabilmente porterebbe a lezioni interessanti per il Big Bang".

La relazione tra gravità e stringhe ha anche gettato nuova luce sul confinamento dei quark, inizialmente attraverso il lavoro di Polyakov e Witten, e in seguito da Klebanov e Matt Strassler, che allora era alla IAS.

Questi sono solo alcuni esempi di come può essere utilizzata la relazione. "È un'idea di grande successo, "disse Guber, che oggi è professore di fisica a Princeton. "Costringe l'attenzione. Ti lega dentro, si snoda in altri campi, e ti dà un punto di vista sulla fisica teorica che è molto avvincente."

La relazione potrebbe persino sbloccare la natura quantistica della gravità. "È uno dei nostri migliori indizi per comprendere la gravità da una prospettiva quantistica, " disse Witten. "Dal momento che non sappiamo cosa manca ancora, Non posso dirvi quanto sarà grande un pezzo del film alla fine".

Ancora, la corrispondenza AdS/CFT, mentre potente, si basa su una versione semplificata dello spaziotempo che non è esattamente come l'universo reale. I ricercatori stanno lavorando per trovare modi per rendere la teoria più ampiamente applicabile al mondo di tutti i giorni, compresa la ricerca di Gubser sulla modellazione delle collisioni di ioni pesanti, così come i superconduttori ad alta temperatura.

Anche sulla lista delle cose da fare sta sviluppando una prova di questa corrispondenza che attinge a principi fisici sottostanti. È improbabile che Einstein sarebbe soddisfatto senza una prova, disse Herman Verlinde, Classe di Princeton del 1909 professore di fisica, il presidente del Dipartimento di Fisica ed esperto di teoria delle stringhe, che condivide lo spazio dell'ufficio con la scrivania di Einstein.

"A volte immagino che sia ancora seduto lì, "Verlinde ha detto, "e mi chiedo cosa penserebbe dei nostri progressi."