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Studi Scientifici Rivelano Prove Sostanziali dell’Universo Olografico

Siamo immersi in un mondo dove vediamo le cose come in una bolla di vetro, dentro ci siamo noi e lo spazio delimitato da una barriera a noi invisibile, fuori vediamo tutto ma non possiamo addentrarci perché limitati nei nostri movimenti.

Un bel guaio direi, ma possiamo sempre spaziare con la nostra immaginazione ovunque noi desideriamo e come d’incanto tutto appare nel modo convenuto senza che si possa mai dare una definitiva spiegazione plausibile.

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L’universo è un Ologramma?

Descrivere l’universo richiede meno dimensioni di quanto si possa pensare. Nuovi calcoli dimostrano che questo potrebbe non essere solo un trucco matematico, ma una caratteristica fondamentale dello spazio stesso.

A prima vista, non c’è il minimo dubbio: a noi l’universo sembra tridimensionale. Ma una delle teorie più fruttuose della fisica teorica degli ultimi due decenni sta mettendo in discussione questo assunto. Il “principio olografico” afferma che una descrizione matematica dell’universo richiede in realtà una dimensione in meno di quella che sembra. Ciò che percepiamo come tridimensionale potrebbe essere solo l’immagine di processi bidimensionali su un enorme orizzonte cosmico.

Finora questo principio è stato studiato solo in spazi esotici con curvatura negativa. Questo è interessante da un punto di vista teorico, ma tali spazi sono molto diversi dallo spazio del nostro universo. I risultati ottenuti dagli scienziati della TU Wien (Vienna) suggeriscono ora che il principio olografico vale anche in uno spaziotempo piatto.

Il principio olografico

Tutti conoscono gli ologrammi delle carte di credito o delle banconote. Sono bidimensionali, ma a noi sembrano tridimensionali. Il nostro universo potrebbe comportarsi in modo simile: “Nel 1997, il fisico Juan Maldacena ha proposto l’idea che ci sia una corrispondenza tra le teorie gravitazionali in spazi curvi anti-de-sitter, da un lato e le teorie quantistiche di campo in spazi con una dimensione in meno, dall’altro”, dice Daniel Grumiller (TU Wien).

I fenomeni gravitazionali sono descritti in una teoria a tre dimensioni spaziali, il comportamento delle particelle quantistiche è calcolato in una teoria a due sole dimensioni spaziali – e i risultati di entrambi i calcoli possono essere mappati l’uno sull’altro. Questa corrispondenza è piuttosto sorprendente. È come scoprire che le equazioni di un testo di astronomia possono essere utilizzate anche per riparare un lettore CD. Ma questo metodo si è rivelato di grande successo. Ad oggi sono stati pubblicati più di diecimila articoli scientifici sulla “corrispondenza AdS-CFT” di Maldacena.

Corrispondenza anche negli spazi piatti

Per la fisica teorica questo è estremamente importante, ma non sembra avere molto a che fare con il nostro universo. A quanto pare, non viviamo in uno spazio anti-de-sitter. Questi spazi hanno proprietà piuttosto particolari. Sono a curvatura negativa, qualsiasi oggetto gettato via su una linea retta alla fine tornerà indietro. “Il nostro universo, al contrario, è piuttosto piatto e, a distanze astronomiche, ha una curvatura positiva”, spiega Daniel Grumiller.

Tuttavia, Grumiller sospetta da tempo che un principio di corrispondenza possa valere anche per il nostro universo reale. Per verificare questa ipotesi, è necessario costruire teorie gravitazionali che non richiedano spazi esotici anti-de-sitter, ma che vivano in uno spazio piatto. Per tre anni, Grumiller e il suo team alla TU Wien (Vienna) hanno lavorato a questo scopo, in collaborazione con l’Università di Edimburgo, Harvard, l’IISER Pune, il MIT e l’Università di Kyoto. Ora Grumiller e i colleghi indiani e giapponesi hanno pubblicato un articolo sulla rivista Physical Review Letters, confermando la validità del principio di corrispondenza in un universo piatto.

Calcolato due volte, stesso risultato

“Se la gravità quantistica in uno spazio piatto consente una descrizione olografica da parte di una teoria quantistica standard, allora devono esistere quantità fisiche che possono essere calcolate in entrambe le teorie – e i risultati devono concordare”, afferma Grumiller. In particolare, una caratteristica chiave della meccanica quantistica, l’entanglement quantistico deve comparire nella teoria gravitazionale.

Quando le particelle quantistiche sono aggrovigliate, non possono essere descritte singolarmente. Esse formano un unico oggetto quantistico, anche se si trovano molto distanti tra loro. Esiste una misura della quantità di entanglement in un sistema quantistico, chiamata “entropia dell’entanglement”. Insieme ad Arjun Bagchi, Rudranil Basu e Max Riegler, Daniel Grumiller è riuscito a dimostrare che questa entropia dell’entanglement assume lo stesso valore nella gravità quantistica piatta e in una teoria di campo quantistica a bassa dimensione.

“Questo calcolo conferma la nostra ipotesi che il principio olografico possa essere realizzato anche in spazi piatti. È una prova della validità di questa corrispondenza nel nostro universo”, afferma Max Riegler (TU Wien). “Il fatto che si possa parlare di informazione quantistica e di entropia dell’entanglement in una teoria della gravità è di per sé stupefacente e difficilmente sarebbe stato immaginabile solo pochi anni fa. Il fatto che ora siamo in grado di usarlo come strumento per testare la validità del principio olografico, e che questo test funzioni, è davvero notevole”, afferma Daniel Grumiller.

Studio rivela prove sostanziali dell’universo olografico

Uno schizzo della linea del tempo dell’Universo olografico. Il tempo scorre da sinistra a destra. L’estrema sinistra indica la fase olografica e l’immagine è sfocata perché spazio e tempo non sono ancora ben definiti. Alla fine di questa fase (indicata dall’ellisse nera fluttuante) l’Universo entra in una fase geometrica, che ora può essere descritta dalle equazioni di Einstein. Il fondo cosmico a microonde è stato emesso circa 375.000 anni dopo. Gli schemi in esso impressi contengono informazioni sull’Universo primordiale e sono alla base dello sviluppo delle strutture di stelle e galassie nell’Universo tardo (all’estrema destra).

Uno studio britannico, canadese e italiano ha fornito quella che i ricercatori ritengono essere la prima prova osservativa del fatto che il nostro universo potrebbe essere un ologramma vasto e complesso.

I fisici teorici e gli astrofisici, studiando le irregolarità del fondo cosmico a microonde (il “bagliore” del Big Bang), hanno scoperto che esistono prove sostanziali a sostegno di una spiegazione olografica dell’universo, tanto quanto la spiegazione tradizionale di queste irregolarità, basata sulla teoria dell’inflazione cosmica.

I ricercatori dell’Università di Southampton (Regno Unito), dell’Università di Waterloo (Canada), del Perimeter Institute (Canada), dell’INFN di Lecce (Italia) e dell’Università del Salento (Italia) hanno pubblicato i risultati sulla rivista Physical Review Letters.

Un universo olografico, un’idea suggerita per la prima volta negli anni ’90, è quello in cui tutte le informazioni che compongono la nostra “realtà” tridimensionale (più il tempo) sono contenute in una superficie bidimensionale ai suoi confini.

Il professor Kostas Skenderis, docente di Scienze Matematiche presso l’Università di Southampton, spiega: “Immaginate che tutto ciò che vedete, sentite e ascoltate in tre dimensioni (e la vostra percezione del tempo) in realtà emani da un campo piatto bidimensionale. L’idea è simile a quella dei comuni ologrammi, in cui un’immagine tridimensionale è codificata in una superficie bidimensionale, come nell’ologramma di una carta di credito. Questa volta, però, viene codificato l’intero universo”.

Anche se non si tratta di un esempio con proprietà olografiche, si potrebbe pensare che sia un po’ come guardare un film in 3D al cinema. Vediamo le immagini come se avessero altezza, larghezza e, cosa fondamentale, profondità, mentre in realtà tutto ha origine da uno schermo piatto in 2D. La differenza, nel nostro universo 3-D, è che possiamo toccare gli oggetti e la “proiezione” è “reale” dalla nostra prospettiva.

Negli ultimi decenni, i progressi dei telescopi e delle apparecchiature di rilevamento hanno permesso agli scienziati di rilevare un’enorme quantità di dati nascosti nel “rumore bianco” o nelle microonde (in parte responsabili dei punti casuali in bianco e nero che si vedono su un televisore non sintonizzato) rimasti dal momento in cui l’universo è stato creato. Utilizzando queste informazioni, il team è stato in grado di effettuare complessi confronti tra le reti di caratteristiche dei dati e la teoria dei campi quantistici. Hanno scoperto che alcune delle più semplici teorie di campo quantistico potrebbero spiegare quasi tutte le osservazioni cosmologiche dell’universo primordiale.

Il professor Skenderis commenta: “L’olografia rappresenta un enorme balzo in avanti nel modo in cui pensiamo alla struttura e alla creazione dell’universo. La teoria della relatività generale di Einstein spiega molto bene quasi tutto ciò che è su larga scala nell’universo, ma inizia a svelarsi quando si esaminano le sue origini e i suoi meccanismi a livello quantistico. Gli scienziati lavorano da decenni per combinare la teoria della gravità di Einstein con la teoria quantistica. Alcuni ritengono che il concetto di universo olografico abbia il potenziale per riconciliare le due cose. Spero che la nostra ricerca ci faccia fare un altro passo avanti in questo senso”.

Gli scienziati sperano ora che il loro studio apra le porte a un’ulteriore comprensione dell’universo primordiale e spieghi come sono emersi lo spazio e il tempo.

Ulteriori informazioni: Niayesh Afshordi et al. From Planck Data to Planck Era: Observational Tests of Holographic Cosmology, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.041301

Fonte: phys.org

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