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La gravità di Einstein è stata osservata per la prima volta all’opera dentro il mondo quantistico, e il risultato arriva da un esperimento che ha messo alla prova uno dei pilastri più solidi della fisica moderna. Un gruppo internazionale, di cui fa parte anche il premio Nobel Roger Penrose, ha misurato direttamente un effetto gravitazionale previsto da tempo su un oggetto quantistico in caduta libera. Il lavoro, guidato dalla Ben Gurion University of the Negev insieme all’Università di Ulm e all’Università di Oxford, è stato pubblicato il 2 settembre su Science Advances.
Il punto di partenza è una tensione che accompagna la fisica da un secolo. Da un lato la meccanica quantistica, che descrive il comportamento bizzarro di atomi e particelle. Dall’altro la teoria della gravità di Einstein, che spiega la caduta dei corpi e la struttura dell’universo su grande scala. Due impalcature straordinariamente efficaci, ognuna nel proprio dominio, che però nessuno ha ancora saputo unire in un quadro unico. L’esperimento si muove esattamente nella zona in cui le due descrizioni si sovrappongono.
Il principio di equivalenza messo alla prova con atomi ultrafreddi
Il principio di equivalenza dice una cosa apparentemente semplice: per chi si trova in caduta libera, la gravità localmente scompare. Chi cade dentro un ascensore, per fare l’esempio classico, sperimenta assenza di peso. Con la materia ordinaria questo principio è stato verificato con precisione impressionante. Con gli oggetti quantistici la faccenda si complica, perché una particella quantistica si comporta anche come un’onda e può seguire più percorsi contemporaneamente.
Per aggirare l’ostacolo il gruppo ha costruito uno strumento battezzato Quantum Galileo Interferometer. L’idea è dividere l’onda quantistica associata a un atomo in due percorsi distinti, tenerne uno fermo e lasciare che l’altro cada liberamente, per poi riunire i due rami e leggere la differenza che si è accumulata. L’esperimento è stato realizzato alla Ben Gurion University usando nuvole di atomi di rubidio raffreddati a temperature appena sopra lo zero assoluto, manipolati vicino alla superficie di un chip atomico progettato su misura.
Il team sperimentale, di cui fa parte il dottorando Or Dobkowski, ha usato impulsi a microonde per portare gli atomi ultrafreddi in sovrapposizione quantistica, permettendo così a ciascun atomo di percorrere due strade insieme. Minuscoli fili elettrici integrati nel chip hanno poi generato campi magnetici controllati con estrema cura. Una parte dell’onda atomica interagiva con il campo, e in questo modo è stato possibile creare una forza verso l’alto capace di bilanciare esattamente l’attrazione gravitazionale. Quella porzione è rimasta ferma rispetto al laboratorio e alla Terra.
Che cosa dice il risultato e che cosa non dice
L’altra porzione dell’onda è stata spinta verso l’alto con un impulso magnetico calibrato, poi trasferita in uno stato quasi insensibile al campo magnetico. Da quel momento si è mossa liberamente sotto l’effetto della gravità, con una traiettoria balistica simile a quella di una palla lanciata in aria. A caduta conclusa, un ulteriore impulso ha ricongiunto i due rami. Le onde riunite hanno interferito tra loro, e da quell’interferenza è emersa la misura della minuscola differenza di fase quantistica accumulata mentre una parte cadeva e l’altra restava immobile. Il valore misurato coincide con quello previsto applicando il principio di Einstein a questo tipo di onda quantistica. Particelle quantistiche erano già state usate in passato per misurare la gravità, ma secondo i ricercatori questa è la prima misura diretta della fase quantistica prodotta da un oggetto in caduta libera.
Il primo autore, il professor Ron Folman della Ben Gurion University of the Negev, parla di un lavoro che unisce un esperimento difficile a un’interpretazione teorica di ampia portata, su una delle domande più fondamentali della fisica: come unificare gravità e teoria quantistica in una sola comprensione dell’universo. Vlatko Vedral, del Dipartimento di Fisica dell’Università di Oxford, aggiunge che non esiste alcuna teoria coerente che spieghi perché la fisica quantistica dovrebbe fallire, e che l’esperimento spinge la meccanica quantistica su una delle sue frontiere più intriganti mostrando che le sue previsioni tengono ancora. Nessuna teoria unificata, quindi, e nessuna dimostrazione che la gravità sia essa stessa quantistica. Il risultato mostra soltanto che il principio di equivalenza resta compatibile con la meccanica quantistica nell’intervallo esplorato. Non smentisce nemmeno l’ipotesi avanzata da Penrose, secondo cui la meccanica quantistica potrebbe cedere quando oggetti abbastanza massicci restano in sovrapposizione per tempi sufficientemente lunghi: masse e durate in gioco erano troppo piccole per verificarlo. I ricercatori contano di estendere la tecnica a oggetti molto più pesanti, nanodiamanti compresi, con esperimenti già avviati nello stesso gruppo alla Ben Gurion University of the Negev.
