I fisici sono stati impegnati ad esplorare come il nostro universo possa emergere come un ologramma da un foglio bidimensionale. Nuovi indizi sono venuti dalle simmetrie trovate su una "sfera celeste" infinitamente lontana.

Sappiamo della gravità dall'incontro apocrifo di Newton con la mela, ma stiamo ancora lottando per darle un senso. Mentre le altre tre forze della natura sono tutte dovute all'attività dei campi quantistici, la nostra migliore teoria della gravità la descrive come uno spazio-tempo piegato. Per decenni, i fisici hanno cercato di usare le teorie dei campi quantistici per descrivere la gravità, ma questi sforzi sono incompleti nella migliore delle ipotesi.

Uno degli sforzi più promettenti tratta la gravità come qualcosa di simile a un ologramma - un effetto tridimensionale che emerge da una superficie piatta bidimensionale. Attualmente, l'unico esempio concreto di una tale teoria è la corrispondenza AdS/CFT, in cui un particolare tipo di teoria quantistica di campo, chiamata teoria di campo conforme (CFT), dà origine alla gravità nel cosiddetto spazio anti-de Sitter (AdS). Nelle curve bizzarre dello spazio AdS, un confine finito può incapsulare un mondo infinito. Juan Maldacena, lo scopritore della teoria, l'ha chiamato "universo in bottiglia".

Ma il nostro universo non è una bottiglia. Il nostro universo è (in gran parte) piatto. Qualsiasi bottiglia che contenga il nostro universo piatto dovrebbe essere infinitamente lontana nello spazio e nel tempo. I fisici chiamano questa capsula cosmica la "sfera celeste".

I fisici vogliono determinare le regole per una CFT che possa dare origine alla gravità in un mondo senza le curve dello spazio AdS. Stanno cercando una CFT per lo spazio piatto - una CFT celeste.

La CFT celeste sarebbe ancora più ambiziosa della corrispondente teoria in AdS/CFT. Poiché vive su una sfera di raggio infinito, i concetti di spazio e tempo si rompono. Di conseguenza, la CFT non dipenderebbe dallo spazio e dal tempo; invece, potrebbe spiegare come lo spazio e il tempo vengono ad essere.

I recenti risultati della ricerca hanno dato ai fisici la speranza di essere sulla strada giusta. Questi risultati usano simmetrie fondamentali per vincolare l'aspetto di questa CFT. I ricercatori hanno scoperto una serie sorprendente di relazioni matematiche tra queste simmetrie - relazioni che sono apparse prima in alcune teorie delle stringhe, portando alcuni a chiedersi se la connessione è più di una coincidenza.

"C'è un animale molto grande e sorprendente qui fuori", ha detto Nima Arkani-Hamed, un fisico teorico presso l'Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey. "La cosa che troveremo sarà piuttosto sconvolgente, speriamo".

Simmetrie sulla sfera

Forse il modo principale in cui i fisici sondano le forze fondamentali della natura è quello di far esplodere le particelle insieme per vedere cosa succede. Il termine tecnico per questo è "scattering". In strutture come il Large Hadron Collider, le particelle arrivano da punti distanti, interagiscono e poi volano verso i rivelatori in qualsiasi stato trasformato sia stato dettato dalle forze quantistiche.

Se l'interazione è governata da una qualsiasi delle tre forze diverse dalla gravità, i fisici possono in linea di principio calcolare i risultati di questi problemi di scattering usando la teoria quantistica dei campi. Ma ciò che molti fisici vogliono davvero conoscere è la gravità.

C'è un animale molto grande e sorprendente là fuori.

Nima Arkani-Hamed

Fortunatamente, Steven Weinberg ha dimostrato negli anni '60 che alcuni problemi di dispersione gravitazionale quantistica - quelli che coinvolgono gravitoni a bassa energia - possono essere calcolati. In questo limite di bassa energia, "abbiamo inchiodato il comportamento", ha detto Monica Pate dell'Università di Harvard. "La gravità quantistica riproduce le previsioni della relatività generale". Olografi celesti come Pate e Sabrina Pasterski dell'Università di Princeton stanno usando questi problemi di dispersione a bassa energia come punto di partenza per determinare alcune delle regole a cui l'ipotetica CFT celeste deve obbedire.

Lo fanno cercando le simmetrie. In un problema di scattering, i fisici calcolano i prodotti di scattering - le "ampiezze di scattering" - e come dovrebbero apparire quando colpiscono i rivelatori. Dopo aver calcolato queste ampiezze, i ricercatori cercano i modelli che le particelle fanno sul rivelatore, che corrispondono a regole o simmetrie a cui il processo di scattering deve obbedire. Le simmetrie richiedono che se si applicano certe trasformazioni al rivelatore, il risultato di un evento di scattering deve rimanere invariato.

Proprio come le interazioni quantistiche possono essere tradotte in ampiezze di scattering che poi portano alle simmetrie, i ricercatori che lavorano sulla gravità quantistica sperano di tradurre i problemi di scattering in simmetrie sulla sfera celeste, quindi utilizzare queste simmetrie per compilare il regolamento della CFT celeste.

"Stiamo cercando di partire dagli ingredienti di base del dizionario", ha detto Pasterski, riferendosi alle simmetrie, "e poi salire da lì".

A novembre, un gruppo guidato da Andrew Strominger dell'Università di Harvard ha pubblicato un documento che descrive l'"algebra di simmetria" a cui la CFT celeste deve obbedire. L'algebra detta come diverse trasformazioni di simmetria si combinano per formare nuove trasformazioni. Studiando la struttura della composizione delle trasformazioni, Strominger e i suoi colleghi, compreso Pate, sono riusciti a vincolare ulteriormente la CFT potenziale. Hanno scoperto che il gruppo di simmetrie sulla sfera celeste obbedisce a un'algebra ben studiata e consolidata - una che è già apparsa in alcune teorie delle stringhe ed è legata alla descrizione di noti sistemi quantistici come l'effetto Hall quantistico.

"Il fatto che la struttura su cui si è atterrati è qualcosa che la gente ha esplorato e giocato prima dà un incoraggiamento che forse c'è qualcosa in esso", ha detto David Skinner, un fisico teorico presso l'Università di Cambridge.

Problemi infiniti

Quando si ha una teoria che si applica ad una sfera infinitamente distante, sorgono dei problemi. Consideriamo due particelle che si uniscono e si disperdono. Se si spargono a parte con qualsiasi angolo diverso da zero, nel momento in cui raggiungono la sfera celeste infinitamente distante, saranno anche infinitamente distanti. La nozione di distanza si rompe. Le nostre normali teorie si basano sulla località, in cui la forza delle interazioni tra gli oggetti dipende dalla loro distanza l'uno dall'altro. Ma se tutto è infinitamente lontano da tutto il resto, la CFT deve trascendere la località.

Ancor più sconcertante: Qual è il concetto di tempo sulla sfera celeste, che è infinitamente lontano sia nel passato che nel futuro? Qui non ha alcun significato.

Arkani-Hamed ritiene che il fatto che i concetti di spazio e tempo si rompano sulla sfera celeste sia una caratteristica, non un difetto. Offre il potenziale per spiegare lo spazio-tempo come una proprietà emergente di una teoria più fondamentale.

Altri moderano il loro entusiasmo. "Penso che sia eccitante, ma penso che ci sia una lunga strada da percorrere", ha detto Skinner. "Ci sono alcune cose che direi che sono grandi sfide da superare".

Arkani-Hamed non è in disaccordo. "L'intera faccenda è una sorta di afferrare e capire qual è la domanda. Ma la posta in gioco è anche altrettanto alta".

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