La figura mostra l'essenza dell'argomento dei ricercatori contro le simmetrie globali. Presumono che esista una simmetria globale e anche che l'oggetto al centro del diagramma sia caricato sotto la simmetria, e quindi mostrare che ciò richiederebbe che l'oggetto si trovi nelle regioni grigie ombreggiate, che non è; questa è una prova per assurdo! Credito:Harlow &Ooguri.
Una coppia di ricercatori, uno al Massachusetts Institute of Technology (MIT) e un altro al California Institute of Technology (Caltech) e all'Università di Tokyo, hanno recentemente studiato una serie di vecchie congetture sulle simmetrie nella gravità quantistica. Le congetture specifiche del focus:(1) la gravità quantistica non consente simmetrie globali; (2) Per la simmetria del calibro, tutti i possibili oneri devono essere realizzati; (3) I gruppi di misura interni devono essere compatti. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , mostra che queste vecchie ipotesi valgono all'interno della corrispondenza anti-de Sitter/teoria del campo conforme (AdS-CFT).
"Storicamente, il concetto di simmetria ha giocato un ruolo importante in fisica, sia nell'individuare e formulare leggi fondamentali della natura, e nell'usare queste leggi per comprendere e prevedere fenomeni naturali come le dinamiche e le fasi delle materie, " Hirosi Ooguri, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Però, ci sono state prove teoriche che suggeriscono che, una volta che combiniamo gravità e meccanica quantistica (le due idee fondamentali nella fisica moderna), tutte le simmetrie globali sono scomparse."
In fisica, le simmetrie possono essere di due tipi:di gauge e globali. Per diversi decenni, i ricercatori hanno proposto l'idea che le simmetrie globali non dovrebbero essere possibili nella gravità quantistica, poiché la teoria unificata della gravità e della meccanica quantistica non consentirebbe alcuna simmetria. Questa è un'affermazione profonda con conseguenze importanti. Ad esempio, predice che un protone non sarebbe stabile contro il decadimento in altre particelle.
"Il modello standard della fisica delle particelle ha entrambi i tipi di simmetrie, quindi prevediamo che quelli globali devono essere solo approssimativi, "Daniele Harlow, l'altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Finora, questa idea ha avuto qualche supporto circostanziale, ma non c'erano argomenti convincenti. Nel nostro giornale, abbiamo fornito quello che pensiamo sia un argomento piuttosto convincente nel caso speciale della corrispondenza AdS/CFT. Questa corrispondenza fornisce le nostre teorie meglio comprese della gravità quantistica, e siamo stati in grado di dimostrare che non consente simmetrie globali".
Prima dell'articolo di Ooguri e Harlow, altri ricercatori hanno argomentato a sostegno dell'affermazione che la gravità quantistica (l'unificazione della meccanica quantistica e della gravità) non può avere alcuna simmetria. Ciò nonostante, questi argomenti presentavano spesso lacune o scappatoie logiche, per esempio non riuscendo ad affrontare alcuni casi importanti (es. simmetria discreta).
"Il nostro nuovo documento fornisce una prova rigorosa di questa affermazione nel contesto della corrispondenza AdS/CFT, dove la gravità quantistica è definita in modo matematicamente preciso, e lo abbiamo fatto nel modo più generale, escludendo tutte le possibili simmetrie globali dalla gravità quantistica, " disse Ooguri.
La dimostrazione presentata da Ooguri e Harlow si basa su due idee importanti:il principio olografico della gravità quantistica e i codici di correzione degli errori quantistici. Il principio olografico è stato introdotto per la prima volta da Gerard 't Hooft e Leonard Susskind nei primi anni '90, tuttavia da allora è stato ampiamente costruito. Uno dei suoi sviluppi più cruciali è stata la scoperta della corrispondenza AdS/CFT di Juan Maldacena nel 1997.
Ooguri e Harlow desideravano dimostrare un teorema matematico sulla gravità quantistica, quindi richiedevano una precisa definizione del principio olografico. Hanno deciso di adottare la corrispondenza AdS/CFT, poiché questo era l'unico modo in cui sentivano di poter raggiungere il loro obiettivo.
"I nostri strumenti di base sono la correzione degli errori quantistici, la corrispondenza AdS/CFT, e la teoria quantistica dei campi, "Ha detto Harlow. "Probabilmente il punto più importante da trasmettere qui è che sebbene AdS/CFT sia una bellissima teoria della gravità quantistica, non è la teoria della gravità quantistica nel nostro mondo. È un modello giocattolo del tipo che i fisici amano studiare (come la famosa mucca sferica). Noi crediamo, però, che le lezioni che apprendiamo in questo modello di giocattolo dovrebbero essere trasferite al nostro mondo, a condizione che stiamo attenti".
Alcuni anni fa, un altro gruppo di ricerca che includeva anche Harlow ha mostrato che l'olografia funziona nella gravità quantistica in modo simile a come funziona la correzione degli errori quantistici nell'informatica quantistica. Nella corrispondenza AdS/CFT, la geometria dello spaziotempo nello spazio anti-de Sitter emerge dall'entanglement quantistico nella teoria del campo conforme. Harlow e i suoi colleghi hanno dimostrato che i dati geometrici emergenti sono, infatti, codici di correzione degli errori quantistici, da un punto di vista CFT.
L'intuizione di questa ricerca precedente è stata essenziale per dimostrare il teorema nel recente studio dei ricercatori. Nel loro nuovo studio, Ooguri e Harlow hanno scoperto che il modo in cui funziona la correzione degli errori quantistici non è compatibile con alcuna simmetria. Così, una volta che la meccanica quantistica e la gravità si sono fuse, nessuna simmetria è esatta.
"Si è generalmente creduto che la simmetria sia un concetto fondamentale in natura, " disse Ooguri. "Molti fisici credono che ci debba essere una bella serie di leggi in natura, e che un modo per quantificare la bellezza è per simmetria. Parte della simmetria può essere nascosta nel nostro mondo (o "spontaneamente rotta, "in termini fisici), ma possono manifestarsi se guardiamo alla natura a un livello più fondamentale. Abbiamo mostrato che la convinzione espressa in quanto sopra è sbagliata. Le leggi della natura al livello più fondamentale, dove la meccanica quantistica e la gravità sono unificate, non hanno simmetria globale."
Lo studio condotto da Ooguri e Harlow fornisce informazioni chiave nel campo della fisica, escludendo la possibilità di simmetrie globali in un'ampia classe di teorie della gravità quantistica. I loro risultati hanno implicazioni per numerose aree di studio, per esempio predire l'instabilità dei protoni.
"I nostri risultati prevedono che il protone non dovrebbe essere stabile, "Ha detto Harlow. "Non è ovvio, ma prevede anche l'esistenza di monopoli magnetici:oggetti isolati che trasportano carica magnetica. Finora, non abbiamo mai visto un oggetto del genere, ma la gente li sta ancora cercando. Sfortunatamente, i nostri risultati non sono abbastanza forti per dire quanti monopoli dovrebbero esistere, dove dovrebbero essere, o quanto tempo dobbiamo aspettare per vedere il decadimento di un protone."
Nel loro lavoro futuro, Harlow e Ooguri vorrebbero quantificare come viene rotta la simmetria. Finora, hanno semplicemente dimostrato che la gravità quantistica non può avere alcuna simmetria senza chiarire come viene smontata. Ad esempio, i loro risultati suggeriscono che il protone dovrebbe decadere, tuttavia non chiariscono come decade o per quanto tempo può vivere prima che lo faccia. Queste sono domande molto importanti, che i ricercatori sperano di affrontare nella loro ricerca futura.
"Il Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe presso l'Università di Tokyo, di cui sono il direttore, è coinvolta nel progetto Hyper-Kamiokande da realizzare nella miniera di zinco di Kamioka nell'area montana centrale del Giappone, Ooguri ha aggiunto. “Uno degli obiettivi del progetto è vedere se il protone decade e per farlo gli sperimentatori costruiranno un grande serbatoio d'acqua nella miniera. Secondo il nostro teorema, i protoni dovrebbero decadere. Ma, non possiamo dire agli sperimentatori quanto dovrebbero essere grandi i serbatoi d'acqua per poter vedere il decadimento dei protoni entro un ragionevole periodo di tempo. Questo è un esempio del perché quantificare la rottura della simmetria sarebbe cruciale. Daniel e io abbiamo qualche idea su come quantificare il modo in cui la simmetria è rotta e ora stiamo continuando la nostra indagine in questa direzione".
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