Grafene: dal Nobel alla teoria del tutto

Una simpatica caricatura del premio Nobel per la fisica (2010). Imagecredit: Wired

Grafene, poliedrico materiale, banalmente composto da innumerevoli atomi di carbonio ben allineati (un po’ come ci vorrebbero i nostri governanti), ma dalle mille sfaccettature e infiniti prodigiosi utilizzi, molti dei quali ancora inediti, vezzeggiati in ogni dove subito dopo l’annuncio del premio Nobel.

Nobel che ha donato la notorietà suprema ai giovani scienziati (sembra quasi un ossimoro!) Andre Geim (per esteso Andrej Konstantinovič Gejm) e Konstantin Novoselov (Konstantin Sergeevič Novosëlov), che per primi hanno studiato le proprietà di un materiale bidimensionale così interessante e rivoluzionario, ma che si ottiene con la semplicità dello strappo di un nastro adesivo.

Ma c’è di più, molto di più. E’ in ballo l’essenza stessa di tutte le teorie che regolano l’universo. Trascurando l’aspetto prettamente materiale della scoperta, mi perdonino i due insigniti, sposterei il focus verso i lidi più teorici e ipotetici della meccanica quantistica. La domanda è:

Può la fisica del grafene dimostrarci che lo spazio-tempo è un ologramma, un miraggio?

3D rendering of graphene hole TEAM 0.5 image made with WSxM. Credit: Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley. Source: Watching Atoms Move at the Edge of a 2D Crystal, physics @ berkeley

Lo spaziotempo, quel tessuto plastico la cui geometria può essere modificata dalla gravità delle stelle, dei pianeti e quindi dalla materia, potrebbe essere niente altro che un miraggio, almeno secondo Pietro Horava (Petr Hořava), un teorico delle stringhe ceco.

Horava, della University of California, Berkeley, vuole lacerare questo tessuto e liberare il tempo e lo spazio separandoli, al fine di elaborare una teoria unificata che concilia i diversi mondi della meccanica quantistica e delle interazioni gravitazionali. L’attenzione di questa settimana per il premio Nobel per la Fisica, focalizzato sul grafene, potrebbe sbloccare la soluzione.

La comunità mondiale dei fisici ha iniziato a sfruttare l’eresia di Horava per spiegare i misteri cosmologici gemellati della materia oscura e dell’energia oscura. Altri stanno scoprendo che i buchi neri, potrebbero anche non comportarsi come ipotizzato inizialmente. Se l’idea di Horava si rivelasse corretta, potrebbe cambiare per sempre la nostra concezione di spazio e tempo conducendoci ad una “teoria del tutto“, applicabile a tutta la materia e alle forze che agiscono su di essa.

Per decenni i fisici sono stati spesso messi in imbarazzo dai loro sforzi di far conciliare la teoria generale della relatività di Einstein, che descrive la gravità in termini cosmologici, con la meccanica quantistica, che descrive il mondo sub-atomico delle particelle e le forze che si applicano in questa scala infinitamente piccola.

Lo spazio e il tempo, in base alla teoria quantistica, sono uno sfondo statico sul quale le particelle si muovono. Nelle teorie di Einstein, al contrario, non solo spazio e tempo risultano legati indissolubilmente, ma creano addirittura un’entità a sé stante, lo spazio-tempo quadridimensionale, che è sagomato dalla materia stessa che è presente al suo interno.

Gran parte della motivazioni che stanno dietro alla ricerca per far quadrare la relatività e la teoria quantistica, cioè per formulare una teoria quantistica della gravità, riflette la necessità di capire cosa è successo immediatamente dopo il Big Bang o quello che sta succedendo vicino all’orizzonte degli eventi dei buchi neri, laddove i campi gravitazionali sono immensi.

Il Professor Petr Hořava. Imagecredit: FQXi Community

Horava ha trovato la sua soluzione nella fisica della materia condensata, in particolare in un strato di carbonio spesso un atomo, e chiamato graf-ene dalla desinenza tipica dell’ibridazione sp2, i cui elettroni saltellano sulla superficie come le palline di un flipper, e che può essere descritto con la meccanica quantistica. E poiché gli atomi di grafene si muovono solo a una frazione della velocità della luce, non c’è bisogno di tirare in ballo la relatività.

Il bello però si verifica quando raffreddiamo questo grafene ad una temperatura molto prossima allo zero assoluto, la temperatura più bassa teorizzabile, accade qualcosa di straordinario: gli elettroni accelerano drasticamente. Ora per descrivere correttamente quello che è successo, sono necessarie le teorie relativistiche. E’ stato questo cambiamento di approccio che ha scatenato la fantasia di Horava, e ciò che lo ha colpito di più è che la simmetria di Lorentz non sempre è evidente nel grafene. Potrebbe valere la stessa cosa anche per il nostro universo? Quello che vediamo intorno a noi oggi è un cosmo freddo, dove lo spazio e il tempo sembrano legati insieme proprio dalla simmetria di Lorentz, un fatto che gli esperimenti hanno confermato con una sorprendente precisione. Ma le cose erano molto diverse nei primi momenti di esistenza dell’universo. Che cosa succede se questa simmetria oggi evidente non fosse un fondamento della natura, ma qualcosa che emerge dal raffreddamento dell’universo proveniente dall’originaria palla di fuoco del Big Bang, così come emerge nel grafene quando viene raffreddato?

Horava ha ottimizzato le equazioni di Einstein a tal punto da rimuovere la fastidiosa simmetria di Lorentz: una proprietà che mantiene costante la velocità della luce per tutti gli osservatori, indipendentemente dalla loro velocità, il tempo rallenta e le distanze si contraggono esattamente nella stessa misura. Questo ha portato Horava a formulare una serie di equazioni che descrivono la gravità nello stesso quadro quantistico che regolano le altre forze fondamentali della natura: la gravità consiste nella forza attrattiva provocata da quelle particelle quantistiche fino ad ora ipotetiche chiamate gravitoni, più o meno allo stesso modo in cui la forza elettromagnetica viene trasportata dai fotoni. Egli ha anche riformulato la relatività generale per includere una direzione preferenziale del tempo, dal passato al futuro, l’unico modo in cui l’universo come noi lo osserviamo sembra evolvere.

“All’improvviso, ecco nuovi ingredienti per modificare le peculiarità della gravità nell’universo subatomico”

Horava, in un intervista con New Scientist.

Simmetrie e particelle. Credit: Symmetrymagazine.org

Spezzando in due la simmetria tra spazio e tempo, la teoria di Horava altera la fisica dei buchi neri, soprattutto dei buchi neri microscopici, i quali si possono formare alle energie più elevate, che trova significato proprio nella formazione di questi buchi neri, e se si rivelano per quello che sembrano essere nella relatività generale, sarebbe una questione molto importante.

La gravità di Horava potrebbe anche contribuire a risolvere uno dei grandi misteri irrisolti della cosmologia moderna: l’enigma della materia oscura. Se le equazioni del moto derivate dalla relatività generale fossero leggermente diverse, potrebbero spiegare le velocità delle stelle e delle galassie osservate, senza che la materia oscura ne prenda parte.

Horava sostiene che è possibile che alcune frazioni dell’insieme della materia oscura dell’universo potrebbero provenire dalle correzioni alle equazioni di Einstein.

Tradotto per l’energia oscura: le teorie della fisica delle particelle prevedono che la forza dell’energia oscura sia circa 120 ordini di grandezza maggiore di quanto osservato, e la relatività generale non può spiegare questa enorme discrepanza. Tuttavia la teoria di Horava contiene un parametro che può essere perfezionato in modo che l’energia del vuoto prevista dalla fisica delle particelle, si riduca a un piccolo valore positivo in linea con i moti osservati nelle stelle e nelle galassie.

Le risposte finali, ovviamente, arriveranno dopo il miglioramento delle osservazioni dei buchi neri supermassicci, i quali contengono regioni di gravità che potrebbero rivelare le correzioni necessarie alla relatività generale e provare la teoria della gravità quantistica di Horava, più o meno allo stesso modo di come le misurazioni inspiegabili dell’orbita di Mercurio hanno dimostrato che le leggi di Newton erano incomplete, aprendo la porta ad un tale Albert Einstein.

Una tale evenienza, sicuramente costituirebbe una svolta epocale rivoluzionaria nel mondo della fisica, ma le applicazioni che se ne trarranno potrebbero addirittura portarci a scalare un piccolo step evolutivo, per le consapevolezze correlate di cui il genere umano beneficerebbe. Ci avrà visto lungo, Horava?

Fonte: Dailygalaxy – Will the Physics of Graphene Show that Space-Time is a Mirage?