Ripensare alla nostra idea di spazio, uno spazio quantizzato?

È molto spesso capitato nella storia della scienza che scoperte sorprendenti abbiano avuto molta difficoltà ad emergere e solo dopo molteplici conferme sperimentali siano state prese in considerazione seriamente, si pensi ad esempio alle difficoltà che ha avuto la teoria della relatività ad emergere o al dibattito sull’esistenza degli atomi verso la fine dell’ottocento.

Queste situazioni si creano di solito quando queste scoperte riescono a comprendere così in profondità le leggi della natura che mettono in discussione concetti fondamentali della nostra concezione della realtà, che di solito sono di natura filosofica.

Infatti la comprensione quotidiana di quello che ci circonda può essere a volte ingannevole o semplicemente ingenua, rispetto alla complessità delle cose. Ad esempio, l'aria e l'acqua ci sembrano fluidi continui, ma ad una analisi più profonda scopriamo che sono fatti di atomi, come anche la Terra ci appare immobile, ma è in realtà in moto rispetto al Sole e alla galassia.

In particolare il nostro concetto di spazio, qualcosa con cui conviviamo ogni giorno, può essere molto complicato da definire ed è strettamente legato a quello di località.

Newton riteneva che esistiamo all'interno di uno spazio assoluto e che il movimento fosse semplicemente un cambiamento di posizione rispetto a questo spazio. Allo stesso tempo nessuna misura può stabilire la relazione di un oggetto fisico con questo spazio assoluto immaginato, perciò quello che possiamo conoscere sono posizioni e movimenti relativi, che sono definiti in relazione agli oggetti fisici che possiamo vedere.

Einstein, con la sua teoria generale della relatività, introduce un’idea di spazio spiegabile come una rete di relazioni in evoluzione dinamica che formano lo spazio-tempo. Qui il concetto di località viene espresso con l’idea di evento, un elemento dello spazio-tempo, che è determinato da eventi del suo passato e determina gli eventi del suo futuro.

Inoltre, l'idea che le forze fisiche debbano agire localmente è una conseguenza di un principio più profondo, quello di causa-effetto, e i principi di base della teoria della relatività insistono sul fatto che le cause possono propagarsi solo attraverso lo spazio ad una velocità finita, che non può superare quella della luce (principio di causalità relativistica). Questo principio però non è valido sempre, ma viene violato da alcuni fenomeni quantistici, come l’entanglement.

E anche per questo che molti fisici aspirano a scoprire una versione migliorata della teoria quantistica, con l’intento di unificare le nostre concezioni della gravità, dello spazio-tempo e dei quanti, per produrre una teoria quantistica della gravità.

La Relatività Generale offre una descrizione dello spazio classica e non quantistica, perciò ci aspettiamo una nuova teoria in cui lo spazio sia quantizzato e in cui possano convivere una concezione di spazio discreto e continuo.

L’idea è che lo spazio-tempo si riveli come una proprietà collettiva di un gran numero di eventi atomici. La teoria quantistica della gravità vuole dimostrare quindi come emerga il quadro sulla  larga scala, come questi eventi discreti vadano a collocarsi in una descrizione emergente di uno spazio-tempo omogeneo e continuo, come è descritto da Einstein.

Si pensi ad esempio che durante ogni secondo ci siano circa 10120 eventi elementari che avvengono all'interno di ogni centimetro cubo di spazio e che quindi la nostra nozione macroscopica di distanza non è altro che media di una miriade di processi causali fondamentali.

Infatti, uno degli approcci della gravità quantistica è quella di derivare le equazioni di Einstein, le leggi della relatività generale che si applicano allo spazio-tempo, dalle leggi della termodinamica, applicate a miriadi di eventi elementari.

Da questo punto di vista la nozione di prossimità serve solo a dar conto della nozione fondamentale di causalità e può essere calcolata come media di un gran numero di eventi. In questo modo viene lasciata una grande libertà di discostarsi dalle medie per i singoli eventi fondamentali e le loro relazioni causali.

Due eventi elementari, come uno nella tazza di thè che state bevendo e l’altro su uno dei pianeti di Proxima Centauri, possono essere separati da quattro anni luce, ma nulla impedisce a uno di essere una causa elementare dell'altro.

Gli eventi causalmente correlati finiranno vicini l'uno all'altro nella descrizione approssimativa emergente che chiamiamo spazio, ma ci saranno comunque molte coppie di eventi che finiranno lontani l'uno dall'altro, disordinando così lo spazio e la località.

E questo disordine della località potrebbe servire proprio a spiegare la non-località quantistica insita nelle particelle entangled!

L'idea intuitiva che gli oggetti si influenzano a vicenda perché sono vicini nello spazio può essere un’altra approssimazione che riveli la sua vera realtà solo attraverso uno studio più approfondito al livello microscopico. Lo spazio continuo e liscio?

Un'illusione che nasconde un piccolo e complesso mondo di interazioni causali, che non vivono nello spazio, ma che definiscono e creano lo spazio mentre creano il futuro dal presente.