Fisici di Lipsia hanno ricavato le celebri equazioni di Einstein dall'informazione quantistica. Forse la gravità e lo spazio stesso non sono fondamentali, ma sono solo il modo in cui l'informazione del campo quantistico appare «dall'esterno»
Una mela cade a terra, la Luna gira intorno alla Terra, la luce si incurva vicino alle stelle. Più di un secolo fa Albert Einstein spiegò perché accade: massa ed energia curvano lo spazio-tempo, e tutto il resto si limita a muoversi lungo queste curvature. Le sue equazioni funzionano in modo impeccabile - dalle orbite dei pianeti ai buchi neri. Ma non rispondono a una domanda più profonda: perché lo spazio è in grado di curvarsi? Che cos'è realmente? Un nuovo lavoro dei fisici teorici Philipp Dorau e Albert Much dell'Istituto di Fisica Teorica dell'Università di Lipsia, pubblicato su Physical Review Letters - una delle riviste di fisica più autorevoli al mondo, offre una risposta sorprendente. Le equazioni di Einstein possono essere ricavate dall'informazione quantistica - quella scritta nel campo quantistico, la base invisibile che pervade tutto l'Universo.
Questa idea ha una celebre preistoria. Nel 1995 l'anno il fisico americano Ted Jacobson mostrò che le equazioni di Einstein si possono ottenere dalle leggi della termodinamica - la scienza del calore e dell'entropia. La gravità nel suo approccio assomiglia alla pressione di un gas: la pressione non esiste come forza separata, nasce dal movimento di innumerevoli molecole. Allo stesso modo anche la gravità potrebbe non essere una forza fondamentale, ma un effetto collettivo di qualcosa di più profondo - processi che avvengono nel campo quantistico. Ma l'approccio di Jacobson aveva un punto debole: l'entropia ordinaria nella teoria quantistica dei campi risulta infinita, e per molto tempo non si riuscì a portare il suo ragionamento a una forma quantistica rigorosa.
Dorau e Much hanno trovato una via d'uscita. Invece dell'entropia ordinaria hanno usato la cosiddetta entropia relativa quantistica - una misura di quanto uno stato del campo quantistico sia distinguibile da un altro, cioè quanta informazione quantistica li separa. Questa grandezza nella teoria quantistica dei campi è sempre finita. I fisici hanno confrontato due stati del campo quantistico. Il primo è il vuoto, il suo stato fondamentale. In fisica non è affatto il nulla: particelle non ce ne sono, ma il campo quantistico trema continuamente di fluttuazioni, e tutte le sue regioni sono collegate tra loro da una rete invisibile di entanglement quantistico. Il secondo è lo stesso campo in cui è comparsa materia o energia. Si è scoperto che la «distinguibilità» di questi due stati è esattamente uguale al flusso di energia del campo quantistico attraverso l'orizzonte, un confine immaginario nello spazio-tempo. E secondo la celebre legge di Bekenstein–Hawking l'entropia dell'orizzonte - cioè la quantità di informazione che può custodire in sé - è proporzionale alla sua area. Collegando l'una all'altra, gli autori hanno ottenuto le equazioni di Einstein, che descrivono come la materia quantistica curva lo spazio-tempo.
La conclusione principale del lavoro suona quasi filosofica: la curvatura dello spazio-tempo deriva letteralmente dal modo in cui l'informazione quantistica è custodita nel campo quantistico. Quando in esso compare la materia, il disegno dell'entanglement cambia, e nel campo resta una sorta di traccia informativa. È proprio questa traccia che percepiamo come gravità. Dunque la gravità potrebbe rivelarsi non una forza fondamentale della natura, ma un fenomeno secondario. E insieme a lei lo spazio stesso. Ciò che percepiamo come geometria, curvature e attrazione è il modo in cui l'informazione quantistica appare «dall'esterno». Come l'immagine sullo schermo è solo l'aspetto esteriore del codice che la disegna, così lo spazio potrebbe essere l'aspetto esteriore dell'informazione scritta nel campo quantistico. Si curva non perché la massa lo prema, come una palla su un tessuto teso, ma perché è cambiata l'informazione quantistica stessa. Nei precedenti materiali della nostra serie «Il codice della realtà» abbiamo raccontato come l'informazione quantistica possa costruire la geometria dello spazio e generare la materia. Il lavoro di Lipsia fa un passo successivo: dall'informazione quantistica sembra nascere anche la gravità stessa.
È importante capire i limiti di questo risultato. Non è una teoria quantistica definitiva della gravità, il principale problema irrisolto della fisica resta ancora irrisolto. Gli autori lavorano in una cosiddetta approssimazione semiclassica: i campi quantistici vengono considerati sullo sfondo di uno spazio-tempo ordinario, non quantistico. Il calcolo è eseguito per una determinata classe di stati del campo e si basa sulla legge di Bekenstein–Hawking come su un presupposto iniziale. Gli stessi fisici parlano del loro lavoro come di un argomento rigoroso, non di una teoria compiuta, e intendono estendere l'approccio fino a una vera e propria gravità quantistica. Ma la direzione è già evidente. Forse la mela cade non perché la Terra la attrae. Ma perché così è distribuita l'informazione nel campo quantistico da cui è intessuto l'Universo.
