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Per quasi cento anni la domanda è rimasta sospesa a mezz’aria, letteralmente: cosa succede a un’onda quantistica quando cade liberamente sotto l’effetto della gravità? La risposta serviva a capire se meccanica quantistica e relatività di Einstein si contraddicono apertamente oppure riescono, almeno in questo caso, a convivere. Il problema è che nessuno era mai riuscito a costruire uno strumento capace di fare quella misura. Adesso ci è riuscito un gruppo guidato da Ron Folman, fisico dell’Università Ben Gurion del Negev, insieme a colleghi in Germania, Regno Unito e Stati Uniti, tra cui il premio Nobel Roger Penrose.
L’idea di fondo è elegante quanto complicata da realizzare. Un singolo atomo viene messo in condizione di percorrere due strade contemporaneamente: una in cui precipita in caduta libera, l’altra in cui resta perfettamente fermo. Le due strade finiscono nello stesso punto, nello stesso istante, e da lì si misura cosa la caduta ha fatto alla natura ondulatoria dell’atomo.
Perché serviva quasi un secolo per arrivarci
Descrivere un oggetto che cade è roba da Galileo in poi. Dove si trova, quanto va veloce, come accelera. La fisica quantistica, però, aggiunge un dettaglio scomodo: ogni oggetto è anche un’onda. “Ogni particella, che sia un’automobile, un’astronave o un atomo, è un’onda”, spiega Folman. E ogni onda sale e scende, con una grandezza chiamata fase che dice se ci si trova sulla cresta o nel ventre.
Il guaio è che la natura ondulatoria di un atomo si manifesta solo quando l’atomo è quasi immobile, cioè raffreddato vicino allo zero assoluto. Una condizione diventata tecnicamente possibile solo alla fine degli anni Novanta. E anche quello, dice Folman, era appena l’inizio del viaggio. Secondo ostacolo: la fase non si misura da sola, serve sempre un confronto. Bisogna dividere una singola particella in due traiettorie e poi rimetterle insieme, la stessa logica del celebre esperimento della doppia fenditura. Aggiungere la caduta libera complica tutto. “Lascia cadere un sasso e dopo un secondo si trova 5 metri più in basso”, dice Folman. Come si riporta a contatto un pacchetto d’onda precipitato con il suo gemello rimasto fermo? Riacchiappare la particella con una pinza ottica o una trappola era fuori discussione, troppo rumore per distinguere il segnale vero da quello fasullo.
Il cannone, il paracadute e un chip rovesciato
La soluzione trovata è stata sparare uno dei due pacchetti verso l’alto, come un proiettile d’artiglieria, e lasciare che la gravità lo riportasse al punto di partenza. L’altro semplicemente resta dov’è. Il dispositivo si chiama Quantum Galileo Interferometer, QGI, ed è minuscolo. Usa circa 20.000 atomi di rubidio tenuti come condensato di Bose Einstein, sostenuti dalle correnti di fili microscopici su un chip appeso a testa in giù, a circa 113 micrometri di distanza.
Un impulso a microonde mette ogni atomo in sovrapposizione di due stati, uno sensibile ai campi magnetici e uno completamente indifferente. Un impulso magnetico fa da cannone e spinge in alto la parte sensibile. Subito dopo un secondo impulso a microonde inverte gli stati, così la porzione lanciata verso l’alto diventa cieca al magnetismo e cade sotto la sola gravità, mentre la gemella ferma riceve una spinta magnetica calibrata per annullare esattamente il proprio peso, restando sospesa. Al ritorno, un ulteriore impulso magnetico funziona da paracadute e azzera la velocità. Al massimo della separazione le due traiettorie distavano circa 7,5 micrometri, e il volo più lungo è durato due millesimi di secondo.
Allungando la caduta, la fase accumulata cresceva, esattamente come previsto dalla teoria. “Siamo riusciti a mostrare che il comportamento di un sistema quantistico segue ancora il principio di equivalenza“, dice Folman. Il valore misurato si discosta del 2,5 percento dalla previsione teorica.
Il prossimo passo sono i nanodiamanti
Gli interferometri atomici esistono da 30 anni, ma nessuno poteva fare una cosa simile. Il QGI non dice ancora quale delle due grandi teorie sia quella sbagliata, e Folman lo ammette senza giri di parole. La sua scommessa è puntare su masse più pesanti. In laboratorio sta nascendo una versione ingrandita dell’esperimento con nanodiamanti, oggetti dieci ordini di grandezza più massicci degli atomi, abbastanza da incurvare lo spaziotempo attorno a sé. Metterne uno in due posti diversi significherebbe ottenere una sovrapposizione di due curvature dello spaziotempo. Secondo l’ipotesi di Penrose, sviluppata in modo indipendente anche dall’ungherese Lajos Diósi, è proprio lì che la meccanica quantistica dovrebbe cedere. “Penrose dice che l’Universo non può sostenere una sovrapposizione di spaziotempo curvo, che deve collassare.” Il gruppo spera di riuscirci entro quattro o cinque anni.
