Da decenni, scienziati e fisici di tutto il mondo si sforzano di risolvere una delle più grandi sfide della fisica moderna: unificare la teoria della relatività di Einstein con la meccanica quantistica. Si tratta di due approcci fondamentali per descrivere l’universo, eppure presentano una profonda incompatibilità che, fino ad oggi, non è stata risolta. Film come “Interstellar” hanno cercato di rappresentare queste sfide, ma anche le menti più brillanti, come Stephen Hawking, non sono riuscite a formulare una “teoria del tutto” che possa spiegare l’universo con un’unica equazione.
La teoria della relatività: Un modello di successo
Per comprendere il conflitto tra relatività e meccanica quantistica, dobbiamo fare un salto nel passato, precisamente al 1915, anno in cui Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale. Questa teoria rivoluzionaria è una delle più riuscite nella storia della scienza, ed è stata confermata da numerose scoperte, come l’osservazione dei buchi neri e il redshift gravitazionale. Secondo la relatività generale, lo spaziotempo è continuo e la gravità è il risultato della curvatura dello spaziotempo stesso, causata dalla massa e dall’energia presenti.
Il modello di Einstein è incredibilmente preciso quando si tratta di descrivere il macrocosmo, ovvero oggetti e fenomeni di grandi dimensioni, come le galassie, le stelle, o i buchi neri. Tuttavia, la teoria della relatività non è sufficiente a descrivere il comportamento della gravità su scala microscopica, e qui entra in gioco la meccanica quantistica.
La meccanica quantistica: La fisica del mondo microscopico
A livello subatomico, la fisica segue leggi diverse da quelle della relatività generale. La meccanica quantistica, nata nel XX secolo, si occupa di descrivere il comportamento delle particelle più piccole, come elettroni, fotoni e protoni. A differenza della relatività, che vede lo spaziotempo come continuo, la meccanica quantistica introduce il concetto di discreto: spazio e tempo non possono essere divisi all’infinito, ma esistono limiti, noti come lunghezza e tempo di Planck, oltre i quali questi concetti perdono di significato.
Un altro aspetto fondamentale della meccanica quantistica è il principio di indeterminazione. Secondo questo principio, è impossibile conoscere simultaneamente con precisione due grandezze coniugate, come la posizione e la quantità di moto di una particella. Questo introduce un elemento di incertezza nel mondo microscopico, che contrasta con la determinazione precisa del mondo descritto dalla relatività generale. In altre parole, mentre la relatività generale descrive un universo ordinato e prevedibile, la meccanica quantistica è dominata da probabilità e incertezze.
Perché non possono convivere?
La difficoltà principale sta nel fatto che queste due teorie descrivono la realtà in modi così diversi. La relatività generale è una teoria classica che funziona benissimo per il mondo di grandi dimensioni, mentre la meccanica quantistica è indispensabile per descrivere il comportamento delle particelle su scala infinitesimale. Tuttavia, quando si cerca di combinare queste due teorie, emergono contraddizioni che rendono impossibile descrivere l’universo con un’unica teoria.
Ad esempio, la relatività generale descrive la gravità come una curvatura dello spaziotempo, mentre la meccanica quantistica prevede che lo spaziotempo stesso debba essere “quantizzato”. Questo significa che lo spaziotempo, secondo la fisica quantistica, non può essere considerato come continuo, ma piuttosto come composto da unità discrete. Inoltre, la relatività prevede una causalità precisa e deterministica tra gli eventi, mentre la meccanica quantistica introduce incertezze fondamentali che rendono impossibile prevedere con assoluta certezza l’esito di un processo.
I tentativi di risolvere il conflitto
Nel corso degli anni, sono stati fatti numerosi tentativi per riconciliare relatività e meccanica quantistica. La teoria delle stringhe, ad esempio, ha cercato di risolvere questo conflitto immaginando che le particelle fondamentali non siano punti, ma piccole stringhe vibranti che esistono in più dimensioni. Anche la gravità quantistica a loop ha offerto un approccio alternativo, cercando di quantizzare lo spaziotempo stesso.
Nonostante questi sforzi, nessuna di queste teorie ha ancora fornito una soluzione definitiva. La ricerca di una “teoria del tutto“, che possa descrivere l’universo a tutte le scale, rimane uno degli obiettivi più ambiziosi della fisica moderna.
Mentre la relatività generale e la meccanica quantistica sono entrambe teorie straordinariamente efficaci, il loro conflitto rimane una delle sfide più intriganti e difficili della scienza. Forse, nei prossimi decenni, nuovi esperimenti e scoperte potranno portare alla tanto attesa unificazione di queste due potenti descrizioni della realtà.