When do quantum systems source gravity and how can we test it?

La gravità è la forza che tiene i nostri piedi attaccati al suolo e mantiene i pianeti nelle loro orbite, ma è anche il mistero più ostinato della fisica moderna. Per oltre un secolo, gli scienziati hanno cercato di unire due grandi teorie: la relatività generale, che descrive la gravità come la curvatura fluida dello spazio e del tempo causata da oggetti massicci, e la meccanica quantistica, che descrive il comportamento caotico e probabilistico delle particelle più piccole. Il problema è che queste due teorie parlano lingue diverse. Quando i fisici cercano di combinarle, la matematica spesso si rompe, producendo valori infiniti e risultati privi di senso. Ciò ha portato molti a credere che la gravità stessa debba essere composta da minuscole particelle discrete, proprio come la luce è composta da fotoni. Tuttavia, esiste un'altra possibilità che è stata a lungo scartata: che la gravità rimanga una forza classica e fluida, ma che si "attivi" solo quando i sistemi quantistici interagiscono con il proprio ambiente in un modo specifico.

Francisco Pipa, un ricercatore dell'Università del Queensland, propone un nuovo modo di pensare a questo enigma. Il suo lavoro suggerisce che la gravità non esista come un campo costante generato da ogni particella quantistica in ogni momento. Al contrario, egli sostiene che un sistema quantistico generi un campo gravitazionale — ovvero crei un'attrazione gravitazionale — solo quando partecipa a una specifica catena di interazioni che porta a un risultato definito. Nel mondo quantistico, le particelle esistono spesso in uno stato di sovrapposizione, dove si trovano in più luoghi o stati contemporaneamente. Pipa suggerisce che finché una particella rimane in questo stato isolato e sovrapposto, essa non genera gravità. È solo quando la particella interagisce con altra materia in un modo che causa la "decoerenza" — un processo in cui l'ambiente costringe la particella a scegliere uno stato singolo e definito — che essa inizia ad agire come una sorgente di gravità. Questa idea sfida la visione standard secondo cui la massa crea sempre gravità, indipendentemente dal fatto che tale massa sia isolata o in interazione.

Il documento delinea un quadro in cui la gravità emerge da una catena di eventi di causa ed effetto. Pipa chiama queste catene "catene di determinazione stabile". Immaginate una sequenza in cui un sistema quantistico interagisce con un altro, creando una registrazione di quell'interazione, che poi permette a un terzo sistema di interagire, e così via. È solo all'interno di queste catene, dove l'informazione viene trasmessa e gli esiti definiti vengono stabiliti, che il campo gravitazionale appare. Se un sistema è completamente isolato da tali catene, esso evolve senza generare la propria gravità, anche se possiede massa. Questo approccio evita la necessità di quantizzare la gravità in particelle. Inveve, tratta la gravità come un fenomeno condizionale che sorge dal modo in cui la materia quantistica si assesta in stati definiti attraverso l'interazione.

Per testare questa idea radicale, Pipa propone diversi esperimenti che possano distinguere la sua teoria dalle altre esistenti. Una delle proposte principali riguarda l'esperimento Bose-Marletto-Vedral, una configurazione progettata per vedere se la gravità può creare entanglement tra due particelle. In questo esperimento, due masse sono poste in una sovrapposizione di diverse posizioni. Se la gravità è una forza quantistica, dovrebbe essere in grado di collegare le due masse, creando uno stato quantistico condiviso. La teoria di Pipa offre l'enunciato per l'ipotesi nulla in questo esperimento: prevede che, poiché le masse sono isolate e non fanno parte di una catena che induce la decoerenza, esse non dovrebbero generare affatto un campo gravitazionale. Pertanto, non dovrebbero creare entanglement, e l'esperimento non dovrebbe mostrare alcun effetto gravitazionale. Se l'esperimento dovesse mostrare l'entanglement, la teoria di Pipa sarebbe smentita. Tuttavia, se le masse rimanessero non entangled, ciò supporterebbe l'idea che la gravità sia condizionale.

Il documento suggerisce anche un test più diretto utilizzando circuiti quantistici. I ricercatori potrebbero costruire un circuito in cui controllano esattamente quando un sistema entra in una "catena di determinazione". Isolando un sistema e permettendogli poi di interagire selettivamente con una catena di altri sistemi, potrebbero accendere e spegnere il campo gravitazionale del sistema. Se la teoria è corretta, il sistema produrrà una forza di attrazione gravitazionale misurabile solo quando fa parte attivamente della catena. Ciò permetterebbe agli scienziati di usare i computer quantistici per controllare l'atto stesso di generare gravità, una capacità che non è mai stata dimostrata prima.

Il lavoro di Pipa affronta anche la natura dell'universo su grande scala. Se la gravità sorge solo attraverso queste catene di interazione, allora il vuoto dello spazio, che è privo di tali interazioni, non avrebbe un proprio campo gravitazionale. Ciò porta a un nuovo modo di comprendere la costante cosmologica, la misteriosa forza che guida l'espansione dell'universo. Il documento suggerisce che il valore di questa costante potrebbe non essere fisso, ma potrebbe cambiare nel tempo man mano che il numero di interazioni nell'universo cambia. Questo potrebbe spiegare perché l'energia oscura stia diventando progressivamente più debole, un fenomeno che le teorie attuali faticano a spiegare.

La forza di questa proposta risiede nella sua capacità di risolvere paradossi di lunga data senza inventare nuove particelle o forze. Suggerisce che la "stranezza" della meccanica quantistica e la "fluidità" della gravità non siano in conflitto; piuttosto, la gravità è semplicemente il risultato del modo in cui la materia quantistica si assesta in stati definiti attraverso l'interazione. Il documento non afferma di aver ancora provato questa teoria. Invece, fornisce un insieme chiaro di regole e previsioni che possono essere testate in laboratorio. Proponendo esperimenti specifici, come il circuito quantistico controllato e la versione modificata dell'esperimento Bose-Marletto-Vedral, Pipa offre una strada percorribile affinché gli scienziati determinino se la gravità sia una forza fondamentale che esiste ovunque, o un effetto condizionale che appare solo quando il mondo quantistico interagisce con se stesso.

Le implicazioni di questo lavoro sono profonde. Se la gravità è condizionale, significa che il tessuto dello spaziotempo non è un palcoscenico statico su cui si svolgono gli eventi, ma una struttura dinamica che emerge dalle interazioni della materia. Suggerisce che l'universo non sia riempito da un campo gravitazionale costante, ma che la gravità sia un fenomeno che si diffonde attraverso una rete di interazioni, proprio come un segnale che passa attraverso una catena di persone. Questa visione potrebbe risolvere il problema delle singolarità, i punti di densità infinita al centro dei buchi neri. Se la gravità esiste solo dove avvengono le interazioni, allora nel nucleo più profondo di un buco nero, dove le interazioni potrebbero cessare, la gravità semplicemente scomparirebbe, lasciando uno spazio piatto e vuoto invece di una singolarità.

In definitiva, questo documento ci invita a ripensare la relazione tra il mondo quantistico e il cosmo. Propone che la forza che modella le stelle e le galassie non sia una presenza costante di sfondo, ma una conseguenza del modo in cui la materia si assesta nella realtà. Concentrandosi sulle condizioni sotto le quali appare la gravità, Pipa offre una nuova prospettiva che potrebbe colmare il divario tra il molto piccolo e il molto grande. Il passo successivo è costruire gli esperimenti che possano confermare o negare queste idee, trasformando una possibilità teorica in una realtà fisica.