La natura dello spaziotempo

Illustrazione del possibile effetto sui fotoni della struttura granulare dello spaziotempo.

Credits: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

La meccanica quantistica e la teoria della relatività sono i pilastri della fisica moderna. La prima tratta delle questioni su scale piccolissime, mentre la seconda studia che succede a velocità prossime a quelle della luce. Il problema è che però non si riescono a fondere in un'unica teoria. I tentativi fatti sino a oggi sono sempre falliti. Si pensa che quando si arriva alle cosiddette dimensioni di Planck, cioè lunghezze inferiori a 1.6 x 10^-35 m, tempi inferiori a 5.4 x 10^-44 s, e energie superiori a 1.2 x 10^19 GeV, queste due teorie debbano fondersi in un'unica teoria. Varie soluzioni sono state proposte, che si condensano intorno a 2 gruppi, che pure hanno diverse formulazioni: stringhe e quantum gravity. Nella prima si assume che le unità elementari dell'Universo siano delle stringhe, per mezzo delle quali è possibile descrivere qualunque cosa. A seconda di come vibrano, si hanno particelle elementari differenti, come le corde di un violino o di una chitarra possono dare differenti note. Nella seconda, come dice il nome stesso, si cerca di quantizzare la gravità, come si è fatto nel passato per le altre interazioni (elettromagnetica, nucleare forte e debole). Chi ha ragione?

In questi casi, la scienza ricorre alle osservazioni e agli esperimenti, ma il problema è che non si può costruire un laboratorio sulla terra capace di arrivare alle energie di Planck (e non ci riesce neanche il moderno LHC). Ci si è quindi buttati sulle osservazioni astronomiche. Infatti, si pensa che i fotoni di alta energia (raggi gamma) provenienti da sorgenti cosmiche come i blazars e i Gamma-Ray Bursts (GRB), avendo una lunghezza d'onda molto piccola o un'energia molto grande, possano in qualche modo risentire di una eventuale struttura granulare (quantizzata) dello spaziotempo. Anche se l'effetto singolo è minuscolo, se sommato con tutti gli effetti che si possono ottenere durante un tragitto di miliardi di anni luce, potrebbe risultare in una quantità misurabile. Alcune teorie suggeriscono un ritardo, altre un anticipo sui tempi previsti dai meccanismi di emissione per queste sorgenti. In altre parole, la granularità dello spaziotempo comporterebbe una violazione della costanza della velocità della luce, conosciuta in termini tecnici come dispersione della velocità dei fotoni, una violazione dell'invarianza di Lorentz (Lorentz Invariance Violation). In particolare, le eccezionali prestazioni del satellite Fermi, possono essere all'altezza desiderata (il Large Area Telescope LAT opera nella banda di energia 0.1-300 GeV).

Così infatti è stato: lo scorso 10 maggio è scoppiato un GRB (indicato con 090510, redshift 0.903), che è stato osservato con Fermi. In particolare, la cosa che ha colpito subito è che c'era un fotone di alta energia, 31 GeV, emesso quasi 1 secondo dopo (0.829 s) lo scoppio del GRB. In ritardo, ma non sufficiente secondo le teorie attuali che predicono questa violazione della Lorentz Invariance. In altre parole, se volessimo attribuire questo ritardo a tutti i costi alla granulazione dello spaziotempo, occorrerebbe una energia di Planck maggiore di quella prevista. Quindi, qualcosa non torna nelle teorie precedenti e questa è la prima misura di questo genere che consente di porre un serio dubbio su certe teorie. Dico su certe, perché in altre varianti della gravità quantistica (per esempio la loop quantum gravity) questo effetto di dispersione della velocità dei fotoni non è previsto. Ma intanto possiamo comunciare a buttare nel cestino un po' di carta... I risultati di questa osservazione sono stati pubblicati oggi sulla prestigiosa rivista Nature, nella sezione Advanced Online Publication (si veda anche la press release di Nature e della NASA).

C'è anche da dire che parte di questi 0.829 s di ritardo potrebbe essere dovuto al fatto che la componente di alta energia si genera dopo lo scoppio del GRB, per l'interazione della componente principale (prompt) con l'ambiente circostante (tesi proposta dai colleghi e amici Ghirlanda, Ghisellini e Nava). Rimane tuttavia un ritardo rispetto ai modelli astrofisici, ma ancora non sufficiente se dovuto a una dispersione di velocità dei fotoni. Anzi, la discrepanza è anche maggiore rispetto al caso precedente.

Quindi, comunque la si metta, sta di fatto, che lo spaziotempo resta ancora un continuum e la velocità della luce nel vuoto una costante. La relatività è salva, ma continua a sbattere contro la meccanica quantistica. Chi riuscirà a trovare la soluzione a questo enigma? Quando sapremo cosa sono veramente lo spazio e il tempo?