Nell'attuale teoria quantistica dei campi, la causalità è tipicamente definita dalla scomparsa dei commutatori di campo per separazioni di tipo spaziale. Due ricercatori dell'Università del Massachusetts e dell'Universidade Federal Rural di Rio de Janeiro hanno recentemente condotto uno studio per discutere e sintetizzare alcuni degli aspetti chiave della causalità nella teoria quantistica dei campi. La loro carta, pubblicato in Physical Review Letters, è il risultato della loro indagine su una teoria della gravità quantistica comunemente chiamata "gravità quadratica".

"Come gli ingredienti del modello standard, la gravità quadratica è una teoria quantistica di campo rinormalizzabile, ma ha alcune proprietà peculiari, "Giovanni Donoghue, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "La piccola violazione della causalità è la più importante di queste e il nostro obiettivo era capirlo meglio. Nel processo, ci siamo resi conto che alcune delle intuizioni sono di interesse più generale e abbiamo deciso di scrivere la nostra interpretazione come Lettera di revisione fisica, per condividere queste intuizioni in modo più ampio".

L'articolo scritto da Donoghue e dal suo collega Gabriel Menezes sintetizza molti aspetti diversi della causalità che fanno parte della teoria quantistica dei campi ormai da diversi decenni. La consapevolezza che ci possono essere violazioni microscopiche della causalità in alcune teorie risale agli anni '60, specificamente al lavoro dei fisici T.D. Lee e G.C. Stoppino. Nel loro studio, però, Donoghue e Menezes hanno tratto ispirazione anche da uno studio più recente condotto da Donal O'Connell, Benjamin Grinstein e Mark B. Wise.

Finora, la maggior parte delle discussioni teoriche sulla causalità, in particolare la "freccia del tempo, " hanno affermato che le leggi della fisica non hanno alcuna preferenza per lo scorrere del tempo. Tuttavia, questa particolare ipotesi non è applicabile alla fisica quantistica, dove è presente una direzione per gli effetti causali.

"I vari fattori di io nelle procedure di quantizzazione sono legate alla direzione dell'azione causale, che porta alla "freccia della causalità" nella fisica quantistica, " Ha spiegato Donoghue. "Questo collegamento non è discusso molto spesso."

Donoghue e Menezes erano incuriositi dal fatto che il sentimento macroscopico di causalità, che è applicabile anche alla fisica classica, è dovuto alla struttura sottostante della teoria quantistica. Nel loro recente articolo, hanno quindi esaminato ulteriormente questo particolare aspetto della causalità, al fine di raccogliere informazioni sul suo significato e le sue implicazioni.

"L'idea che ci possano essere due frecce di causalità all'interno della stessa teoria è ancora più oscura, " Donoghue ha detto. "Tuttavia, accade in un ambiente molto semplice in cui la Lagrangiana per la teoria ha più poteri di derivata del solito. Questo è ciò che accade nella gravità quadratica, ma potrebbe accadere anche in altre teorie."

Anche se la direzione dell'influenza causale è una convenzione associata alla scelta di una descrizione della misurazione del tempo, la sua esistenza è un requisito necessario basato sulle leggi della fisica quantistica. In tale contesto, Donoghue e Menezes hanno osservato che la freccia della causalità può essere potenzialmente violata da convenzioni contrastanti.

"Forse l'implicazione più importante del nostro studio è che abbiamo raccolto prove dell'incertezza causale dovuta alle fluttuazioni dello spaziotempo che possono sorgere in una teoria quantistica della gravità, " Menezes ha detto. "Questo ci fornirebbe una profonda comprensione intuitiva delle origini della causalità".

Circa un decennio fa, O'Connell, Grinstein e Wise hanno condotto uno studio parzialmente basato su una serie di conferenze di Sidney Coleman. Hanno specificamente suggerito che in una descrizione del pacchetto d'onda di un processo di dispersione con frecce causali miste, si può verificare che i prodotti di decadimento possono essere rilevati prima di quanto ci si aspetterebbe dal momento della produzione e la probabilità di rilevamento associata diminuisce esponenzialmente a ritroso nel tempo. Nel loro studio, Donoghue e Menezes hanno esaminato ulteriormente questa idea.

"Un'implicazione del nostro studio è che mentre le idee avanzate da O'Connell e dai suoi colleghi, così come altri gruppi di ricerca, potrebbe in linea di principio essere osservata, non c'è conflitto con gli esperimenti nel caso della gravità poiché il fenomeno si verifica a energie di ordine della scala di Planck, che è 15 ordini di grandezza maggiore della gamma di energia accessibile a LHC, " disse Menezes.

Il recente studio di Donoghue e Menezes offre una discussione generale e preziosa della causalità e della freccia della causalità, concentrandosi in particolare su come una data teoria può avere sia frecce in avanti che indietro. Questa discussione tocca il tema dell'inversione temporale nella teoria dei campi, quindi potrebbe informare una varietà di studi di fisica. Potrebbe anche aiutare a chiarire la teoria quantistica della gravità quadratica, che ha ancora molte domande senza risposta.

Globale, Donoghue e Menezes suggeriscono che convenzioni miste nelle singole teorie fisiche potrebbero essere effettivamente possibili e che studi futuri dovrebbero esplorare ulteriormente questo argomento. I ricercatori stanno ora lavorando a un progetto volto a esplorare a fondo il fenomeno dell'incertezza di causalità dovuta alle fluttuazioni quantistiche del campo gravitazionale.

"Ci sono alcune altre considerazioni tecniche che dobbiamo affrontare riguardo a questa descrizione della gravità quantistica come teoria del campo quantistico rinormalizzabile, " disse Menezes. "Uno di questi riguarda la stabilità della gravità quadratica in sfondi curvi, già studiato da altri autori. Speriamo che anche questi facciano parte di questo lavoro futuro. In ogni caso, l'indagine più intrigante che speriamo di condurre sarà lo studio dell'effetto dell'incertezza causale nell'Universo primordiale".

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