La Stampa TuttoScienze 25.11.15
Ginestra Bianconi
Com’è difficile conciliare Relatività e meccanica quantistica
«Tra il visibile e l’invisibile c’è di mezzo la probabilità»
intervista di Francesco Vaccarino

Una delle sfide della fisica è il tentativo di trovare una conciliazione tra le teorie quantistiche, che si occupano di cose molto piccole e vicine, e la Relatività che descrive l’Universo a larga scala. «L’una e l’altra hanno rivoluzionato non solo il modo di vedere il mondo, ma il nostro stile di vita: non avremmo il transistor se non avessimo la meccanica quantistica e non avremmo il Gps se non avessimo la Relatività - spiega Ginestra Bianconi, PhD in fisica con Albert Laszlo Barabasi e direttrice del Master Degree in Network Science della School of Mathematical Science alla Queen Mary University di Londra -. Con la Relatività speciale Einstein ha modificato il concetto di tempo, per esempio determinando che gli intervalli di tempo hanno una durata che non è assoluta, e unificato spazio e tempo. Poi nella Relatività generale, identificando lo spazio con il campo gravitazionale e quindi la gravità con la curvatura dello spazio-tempo, è stata superata l’idea di Newton secondo cui ogni coppia di corpi, come la Terra e la Luna, si attrae grazie a una forza agente a distanza».
La meccanica quantistica, invece, quali novità ha introdotto?
«Ha introdotto concetti probabilistici nei fondamenti della fisica. Una prima importante rinuncia al determinismo era avvenuta nel 1800 con Boltzman, che aveva descritto i gas come proprietà emergenti da quelle statistiche di molti atomi. La meccanica quantistica minò ancora di più l’approccio deterministico, perché stabilì il principio di indeterminazione: così diventa impossibile misurare con infinita precisione e allo stesso tempo posizione e velocità. La meccanica quantistica non può rispondere con certezza alla domanda: dov’è la particella e quanto è veloce? Ma può predire la probabilità che una misurazione della posizione o della velocità diano un certo risultato. Inoltre, se una misurazione della posizione viene fatta, la velocità non può essere misurata e rimane appunto indeterminata».
Perché è così difficile unificare Relatività e meccanica quantistica?
«La più importante differenza tra le due teorie è che la prima è “classica”, nel senso che non include alcuno spazio per concetti probabilistici. La differenza potrebbe anche essere superata da tecniche usate, appunto, nella stessa meccanica quantistica per “quantizzare” teorie classiche. Per la gravità si può cercare di procedere in questo modo, arrivando a una teoria di campo quantistica della gravità stessa. Tuttavia emergono delle quantità infinite che non si controllano. E questo è il maggiore ostacolo all’unificazione: va sotto il nome di non-rinormalizzabilità della gravità».
Come si potrebbe superare?
«Attraverso un’operazione simile a quella di Boltzmann nella meccanica statistica: invece di assumere che il gas sia un fluido continuo, descrisse le proprietà termodinamiche del gas come effetto collettivo degli atomi: mutatis mutandis, è possibile introdurre una discretizzazione dello spazio-tempo pensando la Relatività come una teoria macroscopica e continua che descrive lo spazio-tempo come composto da “volumetti” indivisibili di spazio-tempo».
Lei si occupa di reti complesse: quali sono i legami e le differenze con la meccanica quantistica e la Relatività?
«Questo studio conosce grandi successi grazie alla rappresentazione in termini di grafi formati da entità interagenti, i networks. I network complessi rivelano un’importante relazione con le statistiche di Bose-Einstein e Fermi-Dirac che descrivono i gas quantistici. In un lavoro ormai classico con Barabasi abbiamo mostrato che i network complessi possono essere descritti dalla statistica di Bose-Einstein e possono condensare. In questo ultimo anno, poi, con Christoph Rahmede abbiamo evidenziato che, se si estende il concetto di rete in quello di complesso simpliciale (vedi l’articolo di Rasetti ndr.), quelle caratteristiche possono essere descritte simultaneamente dalle statistiche di Fermi-Dirac e Bose-Einstein. La complessità potrebbe così contribuire all’unificazione tra Relatività e meccanica quantistica e statistica».