La ricerca della quinta forza potrebbe entrare in una nuova fase. Un lavoro guidato da ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) suggerisce infatti che alcune delle possibili configurazioni di questa ipotetica interazione fondamentale siano incompatibili con una teoria della gravità quantistica matematicamente coerente. Il risultato introduce un approccio diverso rispetto alla tradizionale ricerca sperimentale: non tutte le possibilità devono essere verificate in laboratorio, perché una parte può essere esclusa direttamente dalla teoria.
Lo studio, realizzato da Alfio Bonanno dell’INAF di Catania insieme a Emiliano M. Glaviano, dottorando INAF presso l’Università di Catania, è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.
La quinta forza tra teoria ed esperimenti
Da decenni la fisica cerca evidenze di una possibile quinta interazione fondamentale oltre a gravità, elettromagnetismo e forze nucleari forte e debole. In molti modelli teorici questa forza si manifesterebbe come una lieve deviazione dalla legge gravitazionale di Newton, osservabile a particolari scale di distanza.
Tradizionalmente, gli scienziati hanno considerato numerose combinazioni possibili di intensità e raggio d’azione della forza, affidando agli esperimenti il compito di confermarle o escluderle. Il nuovo studio propone invece una selezione preliminare fondata sulla coerenza teorica della gravità quantistica.
La sicurezza asintotica come criterio di selezione
Il lavoro si colloca nell’ambito della sicurezza asintotica, un programma teorico sviluppato alla fine degli anni Settanta dal premio Nobel Steven Weinberg.
Secondo questa impostazione, la gravità può rimanere consistente anche a energie estremamente elevate grazie all’esistenza di un regime quantistico in cui la crescita dell’interazione gravitazionale viene controllata. Richiedendo che la teoria mantenga la propria validità fino a tali scale energetiche, una proprietà nota come completezza ultravioletta, i ricercatori hanno identificato un insieme limitato di parametri compatibili con l’esistenza di una quinta forza.
Ne consegue che alcune regioni dello spazio teorico delle possibili nuove interazioni risultano escluse indipendentemente dall’esito delle verifiche sperimentali.
Dai vincoli teorici alle osservazioni nel Sistema solare
L’aspetto più rilevante del risultato riguarda il collegamento tra fisica fondamentale e osservazioni misurabili.
“L’aspetto più interessante è che parte della regione esclusa teoricamente non è ancora stata esplorata sperimentalmente”, spiega Bonanno. “Questo significa che future misure di alta precisione della gravitazione potrebbero testare direttamente – e potenzialmente falsificare – questa classe di modelli ispirati alla gravità quantistica. La novità del nostro lavoro è mostrare quantitativamente come un requisito di coerenza alle altissime energie possa tradursi in vincoli osservabili a basse energie e a distanze macroscopiche, anche planetarie”.
Il risultato suggerisce che fenomeni legati alla gravità quantistica potrebbero lasciare tracce osservabili non soltanto a scale microscopiche ma anche nel contesto astronomico e planetario.
Le tecnologie che potrebbero verificare il modello
Tra i possibili strumenti di verifica figurano diverse tecnologie di misura ad alta precisione.
I ricercatori indicano esperimenti gravitazionali a corta distanza, incluse le bilance di torsione, oltre a soluzioni emergenti basate su interferometria atomica e sensori quantistici. A queste si aggiungono osservazioni effettuate su scale astronomiche, come il lunar laser ranging e le misure derivate dalla dinamica dei pianeti del Sistema solare.
L’interesse scientifico di queste tecniche risiede nella capacità di individuare deviazioni estremamente piccole rispetto alle previsioni della gravità classica.
Gravità quantistica e osservazioni: un nuovo terreno di confronto
Secondo gli autori, il principale contributo dello studio consiste nell’avvicinare due ambiti tradizionalmente considerati molto distanti: la fisica delle energie estreme e le osservazioni accessibili agli strumenti contemporanei.
“Il nostro studio mostra che la gravità quantistica potrebbe non essere soltanto una teoria valida a energie estreme e irraggiungibili, ma avere conseguenze concrete e testabili anche a scale molto più grandi”, aggiunge Glaviano. “La fisica delle distanze infinitamente piccole potrebbe lasciare tracce osservabili nel mondo macroscopico: alcune possibili nuove forze della natura sarebbero escluse non dagli esperimenti, ma direttamente dalle leggi fondamentali della teoria”.
In prospettiva, risultati di questo tipo potrebbero contribuire a orientare nuove campagne sperimentali e strategie osservative dedicate alla ricerca di possibili deviazioni dalla gravità nota.
“Una delle difficoltà principali è stata superare un blocco soprattutto concettuale: la gravità quantistica viene spesso vista come un argomento estremamente astratto, quasi impossibile da collegare a fenomeni osservabili”, conclude Bonanno. “Per certi versi è come trovarsi davanti a una parete in montagna che tutti considerano non scalabile. Il primo passo non è tecnico, ma mentale: convincersi che una via possibile esista davvero. Il lavoro nasce proprio da questa idea: cercare un collegamento concreto tra la fisica delle scale infinitamente piccole e fenomeni potenzialmente osservabili nel mondo reale”.
Michelangelo Moles laureato magistrale in Corporate Communication e Media è specializzato nei temi della space economy e della blue economy, con particolare attenzione agli aspetti legati all’innovazione, alla comunicazione strategica e alla divulgazione dei nuovi modelli economici connessi al mare e allo spazio.
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