Lo studio dei sistemi complessi potrebbe essere la chiave di svolta verso l’unificazione della teoria della gravità e della meccanica quantistica. È quanto emerge da uno studio, pubblicato su Nature, secondo cui quando le complicate reti con cui sono strutturati, ad esempio, il nostro cervello o internet vengono applicate alla geometria, i risultati corrispondono a quelli tipici del comportamento quantistico
La figura illustra un sistema quantistico complesso nel caso d=2 (pannello A) e d=3 (pannello B). I colori dei nodi indicano la loro energia mentre la dimensione rappresenta il grado dei collegamenti presenti. Nel pannello B, è chiaramente visibile la presenza degli ‘hub’ qui mostrata nel caso in cui N=1000 nodi. Credit: QMUL/G. Bianconi & C. Rahmede 2015
Il tentativo di rispondere ad una delle grandi domande della scienza ha portato due teorici, Ginestra Bianconi della School of Mathematical Sciences, presso la Queen Mary University of London (QMUL) e Christoph Rahmede dell’Institute for Theoretical Physics, Karlsruhe Institute of Technology in Germania a concludere che quando i sistemi complessi, come il cervello o internet, vengono applicati alla geometria, i risultati sono compatibili con il comportamento descritto dalla meccanica quantistica. Lo studio appare su Nature Scientific Reports.
La nostra attuale comprensione della gravità, sviluppata prima da Newton e poi da Einstein con la relatività generale, ci dice come le leggi della fisica operino nel macrocosmo e non nel microcosmo. Al contrario, la meccanica quantistica governa il mondo dei quanti e non spiega le interazioni degli oggetti più grandi, come i pianeti o le stelle. Nonostante ciò, le due teorie sono in contrasto tra loro. Il mondo della meccanica quantistica è bizzarro, pieno di stranezze e dove si può solo prevedere la probabilità con cui si verifica un determinato fenomeno fisico. Einstein, infatti, dubitò sempre sul fatto che l’Universo si comportasse in maniera casuale e imprevedibile perchè riteneva invece che esistessero regole ben precise che governassero le leggi della fisica.
Per decenni, i numerosi tentativi di descrivere la gravità con il linguaggio della meccanica quantistica non hanno dato buoni frutti e, dopo la morte di Einstein, nessun scienziato ha preso seriamente in considerazione il problema di unificare le leggi della natura. Da allora, la fisica è come divisa in due branche, da un lato la relatività generale e dall’altro la meccanica: è un pò come avere due famiglie che pur vivendo nella stessa casa non vanno d’accordo e non si parlano mai. Oggi, però, i teorici stanno lavorando per formulare una “teoria di grande unificazione” che possa riconciliare in qualche modo la relatività generale e la meccanica quantistica in un’unica teoria nota come “gravità quantistica” che sia in grado di descrivere l’Universo a tutti i livelli.
La figura illustra alcuni istanti di una possibile evoluzione per un sistema quantistico complesso nel caso in cui d=2. I nodi hanno energie differenti e sono rappresentati con colori diversi. Un collegamento si dice ‘saturo’, se due triangoli sono adiacenti ad esso, o ‘non-saturo’, nel caso in cui incide su ciascun collegamento un solo triangolo. Partendo da un triangolo al tempo t=1, il sistema evolve aggiungendo altri triangoli sui collegamenti non-saturi. Credit: QMUL/G. Bianconi & C. Rahmede 2015
Nel passato, i ricercatori hanno proposto diversi modelli per spiegare come siano correlati tra loro differenti spazi quantistici. La maggior parte di questi modelli assume che tali collegamenti sono abbastanza uniformi, anche se esiste qualche piccola deviazione rispetto al numero medio dei collegamenti tra ogni spazio. La nuova proposta formulata da Bianconi e Rahmede parte dalla teoria dei sistemi complessi e suggerisce che alcuni spazi quantistici possono di fatto contenere degli hub, cioè dei “nodi” che presentano un numero significativo di collegamenti rispetto ad altri, come ad esempio nel caso di un utente particolarmente noto del popolare social network Facebook.
I calcoli che sono stati eseguiti con questo modello mostrano che gli spazi sono descritti dalle ben note statistiche di Fermi-Dirac e Bose-Einstein, utilizzate nell’ambito della meccanica quantistica, ed essendo già note ai fisici esse potrebbero facilitare il loro studio nel tentativo di formulare una teoria della gravità quantistica. “Speriamo che la nostra proposta che si basa sui sistemi complessi possa spiegare come emergono gli spazi quantistici discreti. Ciò che vediamo è che lo spaziotempo al livello quantistico potrebbe essere strutturato in maniera simile a quelle cose che iniziamo a comprendere molto bene, come la rete biologica che caratterizza le cellule e il nostro cervello o ancora come i ben più conosciuti social network”, conclude Bianconi, che è anche l’autrice principale dello studio.
Nel passato, i ricercatori hanno proposto diversi modelli per spiegare come siano correlati tra loro differenti spazi quantistici. La maggior parte di questi modelli assume che tali collegamenti sono abbastanza uniformi, anche se esiste qualche piccola deviazione rispetto al numero medio dei collegamenti tra ogni spazio. La nuova proposta formulata da Bianconi e Rahmede parte dalla teoria dei sistemi complessi e suggerisce che alcuni spazi quantistici possono di fatto contenere degli hub, cioè dei “nodi” che presentano un numero significativo di collegamenti rispetto ad altri, come ad esempio nel caso di un utente particolarmente noto del popolare social network Facebook.
I calcoli che sono stati eseguiti con questo modello mostrano che gli spazi sono descritti dalle ben note statistiche di Fermi-Dirac e Bose-Einstein, utilizzate nell’ambito della meccanica quantistica, ed essendo già note ai fisici esse potrebbero facilitare il loro studio nel tentativo di formulare una teoria della gravità quantistica. “Speriamo che la nostra proposta che si basa sui sistemi complessi possa spiegare come emergono gli spazi quantistici discreti. Ciò che vediamo è che lo spaziotempo al livello quantistico potrebbe essere strutturato in maniera simile a quelle cose che iniziamo a comprendere molto bene, come la rete biologica che caratterizza le cellule e il nostro cervello o ancora come i ben più conosciuti social network”, conclude Bianconi, che è anche l’autrice principale dello studio.
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