La ricerca di una teoria del tutto, che risale a prima di Archimede e che è stata notevolmente avanzata nel secolo scorso attraverso la teoria della relatività generale di Albert Einstein e la meccanica quantistica, ha incontrato una grande sfida a causa delle loro spiegazioni contrastanti sulla gravità. La ricerca innovativa di Kent Yagi presso l’Università della Virginia, che utilizza l’intelligenza artificiale e supportata da un prestigioso finanziamento CAREER della National Science Foundation, mira a colmare questa lacuna, offrendo nuove intuizioni sulla gravità e le forze fondamentali dell’universo, migliorando anche l’istruzione STEM attraverso il coinvolgimento della comunità e la divulgazione educativa.
Da molto tempo prima che Archimede suggerisse che tutti i fenomeni osservabili potessero essere compresi attraverso principi fondamentali, gli esseri umani hanno immaginato la possibilità di una teoria del tutto. Nel corso dell’ultimo secolo, i fisici si sono avvicinati a svelare questo mistero. La teoria della relatività generale di Einstein fornisce una solida base per comprendere il cosmo su larga scala, mentre la meccanica quantistica ci permette di afferrare il suo funzionamento a livello subatomico. Il problema è che i due sistemi non concordano sul funzionamento della gravità.
Oggi, l’intelligenza artificiale offre una nuova speranza per gli scienziati che affrontano le enormi sfide computazionali coinvolte nello svelare i misteri di qualcosa di così complesso come l’universo e tutto ciò che contiene, e Kent Yagi, professore associato presso il College and Graduate School of Arts & Sciences dell’Università della Virginia, sta guidando una collaborazione di ricerca tra fisici teorici e fisici computazionali presso l’UVA che potrebbe offrire nuove intuizioni sulla possibilità di una teoria del tutto o, almeno, una migliore comprensione della gravità, una delle forze fondamentali dell’universo. Il lavoro gli è valso un finanziamento CAREER della National Science Foundation, uno dei premi più prestigiosi disponibili per i giovani ricercatori e educatori più promettenti della nazione.
Un aspetto della teoria della relatività generale di Einstein è che gli oggetti in movimento nello spazio generano onde, molto simili a una barca che si muove nell’acqua, ma anche quando queste onde sono create da pianeti, stelle e galassie, o addirittura buchi neri che possono creare i campi gravitazionali più forti possibili, sono ancora incredibilmente piccole. Di conseguenza, è passato quasi un secolo dopo che Einstein ha pubblicato per la prima volta le sue idee sulle onde gravitazionali che i mezzi tecnologici per osservarle sono stati sviluppati. Nel 2015, un programma noto come LIGO, o Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, uno dei più grandi progetti mai finanziati dalla NSF, ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali, che hanno portato a un premio Nobel per la fisica per i leader del progetto.
“La scoperta è stato uno dei momenti più importanti nella fisica degli ultimi cento anni”, ha detto Yagi.
E mentre la tecnologia necessaria per osservare i fenomeni subatomici avanza, anche la capacità di calcolo necessaria per elaborare enormi quantità di dati che gli astronomi stanno raccogliendo sull’universo è avanzata. Inoltre, i nuovi sviluppi nell’apprendimento automatico e nell’intelligenza artificiale negli ultimi anni stanno consentendo agli scienziati di creare e testare modelli matematici complessi che descrivono i fenomeni che osservano a un ritmo che una volta era impensabile.
Yagi studia le massicce onde gravitazionali generate da coppie di buchi neri e stelle di neutroni binarie – alcuni degli oggetti più densi dell’universo che sono fino a 10^13 volte più potenti di un tipico magnete da frigorifero, secondo Yagi – e utilizza questi fenomeni per testare le teorie di Einstein sulla gravità e per sondare le leggi fondamentali della fisica nucleare alla ricerca di informazioni che aiuteranno a risolvere la disconnessione tra la teoria di Einstein e la meccanica quantistica.
Il finanziamento CAREER, che porterà 400.000 dollari al College nei prossimi cinque anni, creerà opportunità per gli attuali e futuri studenti di dottorato interessati a sviluppare e applicare algoritmi di apprendimento automatico che aiuteranno a spiegare e prevedere le osservazioni delle onde gravitazionali e ci daranno una comprensione più profonda del comportamento della gravità.
Una volta che gli algoritmi computazionali saranno perfezionati – un processo che dovrebbe richiedere solo poche settimane – Yagi ha detto che il suo team sarà in grado di elaborare i dati raccolti da LIGO per testare la teoria di Einstein cento volte più velocemente.
“E la quantità di spazio che possiamo cercare per quei dati aumenterà di un fattore dieci”, ha detto Yagi.
Uno dei requisiti del premio CAREER è che i destinatari integrino anche progetti di divulgazione educativa e comunitaria nel loro lavoro, e parte del finanziamento creerà posti di lavoro per studenti universitari che lavoreranno con Yagi per sviluppare software educativo per studenti delle scuole superiori interessati alla fisica, che, Yagi spera, ispirerà la prossima generazione di scienziati vincitori del premio Nobel.
Quanto ci avvicinerà questo a una teoria del tutto?
“Ci sono ancora molti problemi da risolvere”, ha detto Yagi. “Spero di vederlo nel corso della mia vita, ma non voglio essere troppo ottimista.”
“Dimostrare una teoria è quasi impossibile”, ha spiegato Yagi. “Ci sarà sempre un errore di misurazione in qualsiasi esperimento, ma continueremo a cercare di vedere se troviamo qualche prova per confutare la relatività generale. Allo stesso tempo, continuiamo a scoprire quanto sia bella e corretta.”
Il lavoro di Yagi e l’attenzione che sta ricevendo hanno attirato l’elogio dei suoi colleghi e dei leader dell’UVA.
“C’è stata una grande spinta di recente per comprendere meglio le onde gravitazionali non solo come previsione o concetto teorico, ma per essere in grado di rilevarle direttamente”, ha detto Phil Arras, presidente del Dipartimento di Astronomia dell’UVA. “Quello sforzo ha aperto una finestra completamente nuova sull’universo e ci ha dato un nuovo modo per verificare le nostre teorie su come evolvono le stelle. La ricerca di Kent è stata molto importante per la nostra comprensione di ciò.”
Despina Louca, presidente del Dipartimento di Fisica dell’UVA, ha definito Yagi un astrofisico molto rispettato con un vasto portafoglio di ricerca.
“Kent è un educatore coinvolgente e un mentore ricercato il cui lavoro ha avuto un impatto enorme su diverse discipline della fisica”, ha aggiunto Louca. “Sta aprendo la strada all’uso dell’apprendimento automatico per testare la relatività generale mentre esplora le proprietà astrofisiche delle stelle di neutroni, e il suo lavoro con gli studenti dell’UVA nella costruzione di giochi online che integrano ricerca ed educazione ispirerà giovani di tutto il mondo.”
“Il lavoro del professor Yagi è notevole”, ha detto Christa Acampora, preside del College and Graduate School of Arts & Sciences, “Siamo orgogliosi di averlo come membro del nostro corpo docente, non solo per il riconoscimento che sta ricevendo mentre avanza i confini della nostra comprensione sull’universo, ma anche per il suo impegno nell’innovazione nell’istruzione STEM.”