Vorrei addentrarmi in questo articolo in una delle questione piu’ accese riguardanti la natura della gravità e vorrei farlo introducendo il concetto di olografia che sembra abbia un ruolo fondamentale nella comprensione fondamentale dello spazio-tempo.
Che cos’è l’olografia?
L’olografia è una tecnica ottica, sviluppata da Dennis Gabor, che consente la visualizzazione di immagini tridimensionali grazie ad una particolare combinazione di luce laser. In poche parole su un supporto bidimensionale, chiamata lastra olografica, è possibile immagazzinare un’ immagine (ovvero un’ informazione) tridimensionale. Non voglio pero’ parlare di ottica classica e quantistica. Era giusto per dare un’indicazione sul significato del termine “olografico”. I fisici infatti prendo spesso in prestito i termini tecnici di un ambito di un settore di ricerca per riutilizzarli in un altro settore. Cio’ che voglio (tentare) di spiegare è la presunta olografia che esisterebbe in gravità. Ovviamente non sto parlando di fenomeni laser in fisica fondamentale quanto di una specie di dualità tra teorie che vivono a dimensione spazio-temporali diverse. Ma andiamo con ordine.
C’e’ un qualche segnale fisico che ci puo’ far intravedere la vera natura della gravità, un qualcosa che per esempio ci spieghi come mai viviamo in quattro dimensioni spaziotemporali piuttosto che in tre o in cinque?
Un segnale di questo tipo è presente nella fisica dei Buchi Neri. I buchi neri sono i residui di stelle collassate dove neppure la luce puo’ sfuggire al loro intenso campo gravitazionale. Come Stephen Hawking dimostro’ nel 1974, un buco nero, a causa di effetti quantistici del vuoto, possiede una propria temperatura (un buco nero non è poi cosi’ nero) che è inversamente proporzionale alla sua massa. In termodinamica se un oggetto possiede una certa temperatura possiede di conseguenza una certa quantità di entropia. Da conti ormai ben noti, si sa che l’entropia di un buco nero è proporzionale alla sua area, cioe’ ad una superficie in due dimensioni piuttosto che al suo volume (combinazione di tutte e tre le dimensioni spaziali) e questo non è un fatto banale: questo fatto ci sta dicendo che l’ area rappresenta una grandezza geometrica piu’ fondamentale del volume stesso del buco nero. Questa caratteristica è peculiare (per quanto se ne sa ora) solo per i buchi neri che rappresentano uno stato di altissima concentrazione di energia e di materia. Ma è proprio nel limite ad alte energie che i fisici tentano di unificare la fisica quantistica e gravitazionale in una teoria piu’ fondamentale detta gravità quantistica. Non a caso uno dei primi lavori sull’olografia della gravità è stata sviluppata nell’ambito della teoria delle stringhe da Juan Maldacena, ma non voglio addentrarmi in questo lavoro.
Piu’ in generale Gerardus ‘t Hooft e Leonard Susskind hanno sviluppato un principio, chiamato per l’appunto Principio Olografico secondo cui l’intera informazione contenuta in un volume di spazio può essere rappresentata da una teoria che si situa sul bordo dell’area esaminata proprio come accade nei buchi neri.
Questo principio potrebbe essere la punta di un iceberg che ci permetterebbe di intravedere la natura fondamentale della gravità in un’ottica diversa da quelle proposte dalle varie gravità quatistiche (di stringa e non). Concepire la gravità come un’ interazione emergente e non fondamentale.
Emergente significa che deve “derivare” da una teoria piu’ fondamentale come una teoria di campo quatistica ad esempio. Ebbene esistono dei lavori (che vanno sotto il nome di AdS/CFT), che ci fanno notare come ad esempio in tre dimensioni la gravità con la presenza di una costante cosmologica possa essere descritta esattamente da una teoria quatistica in solo due dimensioni. Ecco di nuovo comparire l’olografia.
In un certo senso è come se (non è precisissimo quello che sto dicendo) la gravita’ fosse una specie effetto olografico di una teoria fondamentale che vive in una dimensione piu’ bassa (e vive dove lo spazio tempo è piatto). Quasi lo stesso si puo’ fare mettendo in relazione le quattro dimensioni con una teoria a tre dimensioni, anche se abbiamo delle complicazioni non indifferenti.
Il dibbattito sulla gravità apre sempre degli scenari incredibilmente affascinanti e a mio avviso all’orizzonte si inizia ad intravedere qualche barlume di luce di quella che sara’ la fisica fondamentale del domani.