Una nuova ricerca suggerisce che la gravità potrebbe emergere dalla teoria dell’informazione quantistica

Redazione

Maggio 9, 2025 - 07:00

Una nuova ricerca suggerisce che la gravità potrebbe emergere dalla teoria dell’informazione quantistica

Un nuovo quadro teorico propone che la gravità possa derivare dall’entropia, offrendo una nuova prospettiva sulle profonde connessioni tra geometria, meccanica quantistica e fisica statistica.

Sviluppata da Ginestra Bianconi, fisica matematica della Queen Mary University di Londra, e pubblicata su Physical Review D, questa versione modificata della gravità fornisce nuove intuizioni della teoria dell’informazione quantistica sul legame ben consolidato tra meccanica statistica e gravità che è radicato nelle proprietà termodinamiche dei buchi neri.

Al centro della teoria di Bianconi c’è il concetto di entropia relativa quantistica (QRE).

Questo è un concetto fondamentale della teoria dell’informazione e quantifica la differenza nell’informazione codificata in due stati quantistici.

Più specificamente, la QRE è una misura di quanta informazione di uno stato quantistico viene trasportata da un altro stato quantistico.

L’idea di Bianconi è che le metriche associate allo spazio-tempo siano operatori quantistici che codificano lo stato quantistico della sua geometria.

Basandosi su questa intuizione geometrica, propone che l’azione per la gravità sia il QRE tra due diverse metriche: una definita dalla geometria dello spazio-tempo e un’altra dai campi di materia presenti al suo interno.

In questo senso, la teoria prende ispirazione dalla famosa descrizione della gravità di John Wheeler: “La materia dice allo spazio come curvarsi, e lo spazio dice alla materia come muoversi”.

Tuttavia, va anche oltre, in quanto mira a rendere esplicita questa relazione nella formulazione matematica della gravità, inquadrandola in un’azione di meccanica statistica e teoria dell’informazione.

Inoltre, la teoria adatta la QRE al formalismo di Dirac-Kähler esteso ai bosoni, consentendo una comprensione più sfumata dello spazio-tempo.

Il formalismo di Dirac-Kähler è una riformulazione geometrica dei fermioni utilizzando forme differenziali, unificando le descrizioni di spinori e tensori in modo privo di coordinate.

In termini più semplici, offre un modo elegante per descrivere particelle come gli elettroni usando il linguaggio della geometria e del calcolo sulle varietà.

Per piccole energie e bassi valori di curvatura dello spazio-tempo (il regime di “basso accoppiamento”), le equazioni presentate da Bianconi si riducono alle equazioni standard della teoria della relatività generale di Einstein.

Al di là di questo regime, le equazioni di Einstein completamente modificate possono essere scritte in termini di un nuovo campo, il campo G, che dà origine a una costante cosmologica diversa da zero.

Spesso associata all’espansione accelerata dell’universo, la costante cosmologica contribuisce alla sostanza ancora misteriosa nota come energia oscura, che si stima costituisca il 68% della massa-energia dell’universo.

Una caratteristica chiave della teoria basata sull’entropia di Bianconi è che la costante cosmologica in realtà non è costante, ma dipendente dal campo G.

Quindi, una caratteristica chiave del campo G è che potrebbe fornire nuove informazioni su cosa sia realmente la costante cosmologica e da dove provenga.

Il campo G ha anche implicazioni per la fisica dei buchi neri. In un lavoro successivo, Bianconi mostra che una soluzione comune nella relatività generale nota come metrica di Schwarzschild è un’approssimazione, con la soluzione completa che richiede la considerazione degli effetti del campo G.

L’esistenza di una connessione tra buchi neri ed entropia solleva anche la possibilità che il quadro di Bianconi possa gettare nuova luce sul paradosso dell’informazione del buco nero.

Dal momento che si suppone che i buchi neri evaporino a causa della radiazione di Hawking, il paradosso affronta la questione se l’informazione che cade in un buco nero sia veramente persa dopo l’evaporazione.

Vale a dire, un buco nero distrugge l’informazione per sempre, o è in qualche modo preservata?

La teoria generale prevede che il QRE per il buco nero di Schwarzschild segua la legge dell’area, una caratteristica chiave della termodinamica dei buchi neri, suggerendo che un’ulteriore esplorazione di questo quadro potrebbe portare a nuove risposte sulla natura fondamentale dei buchi neri.

A differenza di altri approcci alla gravità quantistica che sono principalmente fenomenologici, il quadro di Bianconi cerca di comprendere la gravità dai primi principi collegandola direttamente all’informazione quantistica e alla meccanica statistica.

Quando le è stato chiesto come si è interessata a questa linea di ricerca, sottolinea la continuità tra il suo precedente lavoro sulla topologia e la geometria delle reti di ordine superiore, il suo lavoro sull’operatore topologico di Dirac e le sue attuali ricerche.

“Mi ha colpito in particolare un passaggio del recente libro di Gian Francesco Giudice Prima del Big Bang, in cui una bambina chiede: ‘Se il tuo libro parla dell’universo, parla anche di me?'” Dice Bianconi.

“Questo racchiude l’idea che nuovi ponti tra diversi domini scientifici potrebbero essere la chiave per far progredire la nostra comprensione”.

C’è ancora molto da esplorare in questo approccio. In particolare, Bianconi spera di estendere questa teoria alla seconda quantizzazione, dove i campi sono pensati come operatori proprio come le quantità fisiche (posizione, quantità di moto, ecc.) lo sono nella prima quantizzazione.

Inoltre, le equazioni di Einstein modificate derivate in questa teoria devono ancora essere completamente risolte e comprendere tutte le implicazioni della teoria per la gravità classica è una sfida continua.

Sebbene la ricerca sia ancora nelle sue fasi iniziali, Bianconi sottolinea che potrebbe eventualmente portare a ipotesi verificabili. La relazione tra la costante cosmologica prevista dalla teoria e le misurazioni sperimentali, ad esempio, potrebbe offrire un modo per testarla rispetto ai dati esistenti.

Immagine: Shutterstock/Rost9

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