E se l’Universo fosse un ologramma? La "nuova Einstein", in uno studio, cerca di spiegare spazio, tempo e gravità

E se lo spazio in cui viviamo, che vediamo intorno a noi, non fosse il livello più "fondamentale" della realtà?

E se le 3 dimensioni spaziali, insieme alla gravità, potessero essere descritte attraverso una teoria matematica formulata semplicemente su una superficie con solo 2 dimensioni?

Questa è una possibilità che è stata estrapolata da una delle idee più affascinanti della fisica teorica contemporanea e si chiama "il principio olografico". Un po' come succede con un ologramma, che pur essendo registrato su una superficie piatta riesce a restituirci l'impressione di un'immagine tridimensionale.

La sorpresa nascosta nei buchi neri

Da diversi decenni alcuni fisici stanno lavorando proprio su questa possibilità, cercando di capire se lo spazio che vediamo e la gravità che conosciamo siano davvero gli elementi più fondamentali dell'Universo, oppure se derivino da qualcosa di più profondo.

Questa ricerca è nata studiando gli oggetti più misteriosi del cosmo: i buchi neri. I buchi neri sono famosi per la loro capacità di inghiottire tutto ciò che supera un certo confine. La loro gravità è talmente intensa che nemmeno la luce riesce a sfuggire. Quel confine si chiama orizzonte degli eventi.

Negli anni '70, però, i fisici Jacob Bekenstein e Stephen Hawking si accorsero che l'entropia di un buco nero, cioè, in termini moderni, la quantità di informazione che può racchiudere, non è legata al suo volume, come ci aspetteremmo, ma alla superficie del suo confine.

Per esempio: se abbiamo una scatola, siamo abituati a pensare che più è grande lo spazio al suo interno, più cose può contenere. Nel caso dei buchi neri, invece, la quantità massima di informazione sembra dipendere dalla superficie esterna, ovvero dalla superficie della sfera "nera" che rappresenta proprio l'orizzonte degli eventi.

Questa scoperta fece sorgere una domanda: e se non fosse una caratteristica esclusiva dei buchi neri? E se anche una regione dello spazio, o addirittura l'intero Universo, potesse essere descritta attraverso informazioni presenti su una superficie? Nel 1993 il fisico Gerard ’t Hooft e, due anni dopo, Leonard Susskind svilupparono questa idea e nacque il principio olografico: la possibilità di descrivere un mondo con 3 dimensioni spaziali, in determinate condizioni, attraverso una teoria che ne utilizzi soltanto 2.

Due modi diversi per raccontare lo stesso Universo

Un passo decisivo arrivò nel 1997, quando il fisico Juan Maldacena presentò una teoria che avrebbe avuto un'enorme influenza sulla ricerca. In sostanza, mostrò che un universo teorico con 5 dimensioni e dotato di gravità poteva essere descritto anche attraverso una teoria quantistica formulata su un confine con 4 dimensioni, nella quale la gravità non compariva affatto.

Detto così sembra complicato, ma il punto è semplice: due descrizioni apparentemente molto diverse potevano fornire le stesse informazioni sulla realtà studiata.

Naturalmente l'universo matematico studiato da Maldacena ha caratteristiche diverse dal nostro, per questo il suo modello non descrive direttamente il cosmo che osserviamo. Gli scienziati stanno quindi cercando di capire se un principio simile possa funzionare anche in un universo più simile al nostro.

La Sfera Celestiale: una specie di mappa dell'Universo

Diversi studiosi stanno cercando di trovare un modo per descrivere ciò che accade nel nostro spazio-tempo, che ha 3 dimensioni spaziali e 1 temporale, attraverso una teoria matematica a 2 dimensioni.

Tra i protagonisti di questa impresa ci sono Sabrina Gonzalez Pasterski, fisica teorica statunitense di origini cubane del Perimeter Institute (spesso soprannominata dai media la "nuova Einstein"), e il suo mentore Andrew Strominger, professore di fisica teorica e direttore del Center for the Fundamental Laws of Nature all'Università di Harvard.

Al CERN, gli scienziati studiano quali particelle entrano in collisione, quanta energia possiedono e che cosa si produce dopo lo scontro. Cercano di prevederlo con calcoli matematici che stabiliscono quali esiti siano possibili e con quale probabilità. In fisica queste grandezze vengono chiamate ampiezze di scattering.

L'olografia celestiale cerca di riscrivere proprio queste informazioni in un modo diverso, utilizzando una superficie matematica chiamata Sfera Celestiale. Il nome può trarre in inganno: non si tratta di una gigantesca sfera fisica che circonda il cosmo, ma di una specie di mappa sulla quale si possono rappresentare le direzioni da cui arrivano le particelle e quelle verso cui si allontanano dopo essersi incontrate.

La sfida è dimostrare che i calcoli fatti nello spazio-tempo a 4 dimensioni possano essere tradotti in una teoria matematica definita su questa superficie a 2 dimensioni. Se ci riuscissero, avrebbero trovato un modo completamente nuovo di descrivere i fenomeni dell'Universo, compresi quelli legati alla gravità.

E se la gravità non fosse come abbiamo sempre pensato?

Ma se possiamo descrivere fenomeni gravitazionali attraverso una teoria che non contiene affatto la gravità, vuol dire che la gravità non esiste realmente? No, naturalmente la gravità esiste, ed è quella che ci tiene con i piedi per terra e che governa il movimento dei pianeti.

Ad esempio: la temperatura in una giornata calda non è una proprietà di una singola molecola d'aria. La temperatura è una proprietà che emerge dal movimento collettivo di moltissime molecole d'aria.

Qualcosa di simile potrebbe accadere con la gravità. Ciò che percepiamo come attrazione gravitazionale e curvatura dello spazio-tempo potrebbe derivare da relazioni quantistiche più fondamentali.

Esistono studi teorici che collegano il modo in cui le particelle sono legate tra loro attraverso l'entanglement quantistico alla geometria dello spazio. È una pista di ricerca affascinante, anche se non abbiamo ancora dimostrato che questa sia la spiegazione definitiva del funzionamento del nostro Universo. E anche il tempo entra in questo quadro.

L'olografia celestiale cerca di capire se anche lo scorrere del tempo, proprio come lo spazio e la gravità, possa emergere da leggi quantistiche formulate su una superficie in cui il tempo non compare come ingrediente di partenza.

Arriveremo a capire come funziona l'Universo?

Nessuno ha dimostrato che viviamo in un Universo olografico, sia chiaro. L'olografia celestiale è un programma di ricerca ancora in sviluppo e molte delle sue questioni più importanti restano aperte.

Ma, se questa strada dovesse portare a una teoria completa, potrebbe aiutarci a comprendere meglio i buchi neri, il destino delle informazioni che cadono al loro interno e il rapporto ancora irrisolto tra gravità e fisica quantistica.

Potremmo addirittura scoprire che lo spazio e la gravità, che ci sembrano così concreti e fondamentali, in realtà sono il risultato di qualcosa che non riusciamo ancora a osservare direttamente.

Non sappiamo se sarà davvero così. Ma la cosa più sorprendente della fisica moderna è che più cerchiamo di capire come funziona l'Universo, più ci accorgiamo che la realtà potrebbe essere molto diversa da quella che da sempre abbiamo creduto di "vedere".