Secondo la meccanica quantistica, su scala estremamente piccola lo spazio-tempo, che a noi sembra una entità continua e omogenea, diventa irrregolare e avrebbe un aspetto spumoso, con molte piccole regioni in continua evoluzione all'interno le quali le quali lo spazio e il tempo non sono più definite, ma fluttuano caoticamente. "Un modo di pensare alla schiuma spazio-tempo è quello di paragonarla alla superficie dell'oceano" ha detto l'autore Eric Perlman del Florida Institute of Technology di Melbourne, "se stai volando sopra l'oceano a bordo di un velivolo, la sua superficie sembra completamente liscia. Se però si vola abbastanza basso si vedono le onde e, con una vista ancora più ravvicinata, appare la schiuma, con piccole bolle che sono costantemente fluttuanti". La schiuma di cui parliamo qui, però, è su una scala estremamente piccola, qualcosa come dieci volte un miliardesimo del diametro del nucleo di un atomo di idrogeno, o 10^-35m, pari alla cosiddetta lunghezza di Plank. Di conseguenza, questa ipotetica schiuma non può essere rilevata direttamente con nessuno strumento a Terra, neanche il più potente degli acceleratori. Tuttavia, se lo spazio-tempo ha una struttura schiumosa ci sono limiti alla precisione con cui le distanze possono essere misurate a causa delle dimensioni delle "bolle quantistiche" e questo può ripercuotersi sul modo in cui la luce si propaga: a seconda di quale modello spazio-temporale viene utilizzato, queste incertezze sulla distanza dovrebbero accumularsi a tassi diversi, mentre la luce viaggia sulle grandi distanze cosmiche.

Già l'anno scorso su Nature erano stati pubblicati a questo proposito degli interessanti risultati: i fotoni gamma prodotti in lontani "Gamma-Ray Burst" (GRB) arrivavano tutti in un intervallo di tempo molto ristretto (una frazione di secondo) nonostante abbiano diverse energie e quindi diverse lunghezze d'onda; questo imponeva limiti stringenti non solo sulla costanza della velocità della luce ma anche e soprattutto sulla natura delle fluttuazioni quantistiche dello spazio-tempo, di fatto più piccole di quanto ci si aspettasse in molte teorie.

Adesso, un altro gruppo di ricercatori ha usato un metodo alternativo non più basato sui tempi di arrivo ma sulla visibilità di Quasar e AGN (galassie con nuclei galattici attivi che, come i quasar, ospitano buchi neri supermassivi) a svariati miliardi di anni luce da noi. In effetti, è stato previsto che l'accumulo di fluttuazioni quantistiche nella velocità della luce, mentre questa si propaga attraverso miliardi di anni luce, provocherebbe un tale degrado sulla qualità delle immagini che gli oggetti sarebbero potuti diventare inosservabili; il fenomeno può essere paragonato per certi versi al seeing atmosferico che gli astronomi/astrofili conoscono molto bene e che degrada la qualità delle immagini astronomiche perchè diversi raggi luminosi attraversano diverse zone turbolente dell'atmsfera dove si propagano con diverse velocità, distruggendo la coerenza del segnale. La lunghezza d'onda in cui scompare l'immagine dovrebbe dipendere dal modello di schiuma spazio-temporale utilizzato.

Sfruttando le osservazioni dai satelliti NASA's Chandra e Fermi (operanti rispettivamente nei dominio dei Raggi X e Gamma), insieme a osservazioni di raggi gamma energetici fatti dalla superficie terrestre con il "Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array" (VERITAS), il rilevamento di questa radiazione esclude un modello "a cammino casuale", secondo il quale i fotoni si diffondono casualmente attraverso la schiuma spazio-temporale in analogia con la diffusione della luce attraverso la nebbia. Rilevazioni di quasar con i raggi gamma dimostrano che anche un secondo modello, il cosiddetto modello olografico (basato sul principio olografico) con minore diffusione, comunque non funziona. "Abbiamo scoperto che i nostri dati possano escludere due modelli diversi di schiuma spazio-temporale", ha detto il co-autore Jack Ng della University of North Carolina a Chapel Hill. "Possiamo concludere che lo spazio-tempo è meno schiumoso di quanto alcuni modelli predicono". I dati a raggi X e raggi gamma dimostrano che lo spazio-tempo è "liscio" almeno fino a distanze di 1000 volte più piccole rispetto al nucleo di un atomo di idrogeno.

New Constraints on Quantum Gravity from X-ray and Gamma-Ray Observations

One aspect of the quantum nature of spacetime is its "foaminess" at very small scales. Many models for spacetime foam are defined by the accumulation power α, which parameterizes the rate at which Planck-scale spatial uncertainties (and thephase shifts they produce) may accumulate over large path-lengths. Here α is defined by theexpression for the path-length fluctuations, δℓ, of a source at distance ℓ, wherein δℓ≃ℓ1−αℓαP, with ℓP being the Planck length. We reassess previous proposals to use astronomical observations ofdistant quasars and AGN to test models of spacetime foam. We show explicitly how wavefront distortions on small scales cause the image intensity to decay to the point where distant objects become undetectable when the path-length fluctuations become comparable to the wavelength of the radiation. We use X-ray observations from {\em Chandra} to set the constraint α≳0.58, which rules out the random walk model (with α=1/2). Much firmer constraints canbe set utilizing detections of quasars at GeV energies with {\em Fermi}, and at TeV energies with ground-based Cherenkov telescopes: α≳0.67 and α≳0.72, respectively. These limits on α seem to rule out α=2/3, the model of some physical interest.

Riferimenti:
- http://phys.org/news/2015-05-nasa-telescopes-limits-space-time-quantum.html#jCp
- http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n4/full/nphys3270.html