Lo spazio-tempo: un esempio di “superfluido”?

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Secondo molti, la più grande sfida teorica della fisica contemporanea sta nel tentativo di unificare la teoria della relatività generale con la meccanica quantistica. I due grandi scenari teorici sviluppati all’inizio del secolo scorso, infatti, sembrano decisamente inconciliabili quando si cerca di unirli in un unico quadro organico.

La relatività generale, formulata da Einstein, è una teoria della gravità adatta a descrivere l’universo nel suo insieme; la meccanica quantistica ha avuto enormi successi nel descrivere il comportamento delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali della natura (elettromagnetismo e forze nucleari).
Un’unica teoria che incorpori sia la relatività sia la meccanica quantistica (ovvero la gravità quantistica) è il sogno di ogni fisico teorico. A oggi, tuttavia, siamo ancora lontani dall’averne una.
Gli approcci che si stanno seguendo sono sostanzialmente tre. Il primo consiste nel piazzare oggetti quantistici in uno spazio-tempo relativistico: è quello che si fa per esempio nelle teorie di stringa.
Il secondo approccio tenta di descrivere in un sol colpo l’intero universo con un’unica funzione d’onda quantistica (teoria della funzione d’onda universale). La terza via consiste nel quantizzare lo spazio-tempo: è quanto avviene nella cosiddetta “gravità quantistica a loop”. In questo contesto, si pensa al tessuto spazio-temporale come a un’entità non continua, ma scomponibile in “particelle di spazio-tempo” elementari e indivisibili.

L’idea è questa: se lo spazio-tempo è fatto di “particelle”, e nel suo complesso può incurvarsi secondo la teoria di Einstein, allora il suo comportamento dinamico assomiglia a quello un fluido. Per esempio, una superficie d’acqua è composta da piccole molecole, ma nell’insieme mostra curvature e increspamenti, proprietà emergenti che possono essere studiate con gli strumenti dell’idrodinamica. Secondo questo approccio la relatività generale sarebbe insomma l’“idrodinamica dello spazio-tempo” inteso come fluido, e la meccanica quantistica va inserita per poter prevedere il comportamento globale a partire dalle interazioni fondamentali tra le “particelle di spazio-tempo”.
È precisamente quello che hanno fatto due ricercatori italiani: Stefano Liberati, della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste, e Luca Maccione, dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco, in Germania. I due scienziati, con un articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, hanno studiato quali effetti si possono prevedere nell’ipotesi che l’universo sia davvero descrivibile come un fluido. In particolare, Liberati e Maccione si sono dedicati a studiare gli effetti di viscosità del fluido spazio-temporale.
Intuitivamente, se lo spazio-tempo avesse una viscosità, rallenterebbe il passaggio di oggetti al suo interno. “Eppure noi possiamo vedere fotoni provenienti da oggetti astrofisici a milioni di anni luce da noi”, spiega Liberati. “Se lo spazio-tempo è un fluido, allora, secondo i nostri calcoli, deve trattarsi per forza di un superfluido.”
La superfluidità dello spazio-tempo sarebbe quindi una condizione necessaria per consentire alla radiazione elettromagnetica di propagarsi attraverso distanze di rilevanza cosmologica.

Ma ci sono delle prove osservative che possano dimostrare che questa trattazione è corretta? Liberati e Maccione hanno pensato anche a questo: prevedendo quanta energia dovrebbero perdere le particelle che attraversano il “superfluido”, si possono confrontare i calcoli con precise misurazioni effettuabili nell’ambito della fisica delle alte energie.
Relatività generale, meccanica quantistica, idrodinamica, cosmologia, fisica delle particelle: le sfide teoriche della gravità quantistica sono sempre più interdisciplinari. E per la prima volta – sostiene  Liberati – possono essere testate: “Con la tecnologia attuale in astrofisica i tempi sono ormai maturi per portare la gravità quantistica da un piano meramente speculativo a uno più prettamente fenomenologico. Non si può immaginare un momento più interessante per dedicarsi alla gravità”.

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