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Gli atomi di rubidio lasciati cadere a bordo della stazione spaziale cinese Tiangong hanno mostrato tutti la stessa accelerazione, e questo semplice risultato riporta in orbita uno degli esperimenti più antichi e famosi della fisica. L’idea di base è quella attribuita a Galileo, che secondo la tradizione avrebbe lasciato cadere corpi diversi per verificare se toccassero terra insieme. Stavolta, però, al posto delle sfere ci sono nuvole di atomi freddi, e al posto della torre c’è un laboratorio che gira attorno alla Terra.
Il punto che questi esperimenti mettono alla prova è il cosiddetto principio di equivalenza, cioè l’idea che tutti i corpi cadano allo stesso modo indipendentemente da massa e composizione. Non è un dettaglio marginale. È uno dei pilastri su cui poggia la teoria della relatività generale di Einstein, la descrizione della gravità che usiamo ancora oggi per capire come si muovono pianeti, stelle e luce nell’universo. Se saltasse quel pilastro, salterebbe una buona parte dell’impianto teorico costruito attorno.
Tiangong: perché usare atomi e non oggetti
La scelta del rubidio non è casuale. Gli atomi si prestano a essere raffreddati e manipolati con estrema cura, e permettono di trasformare la caduta libera in una misura di precisione, sfruttando il comportamento quantistico della materia. Con corpi macroscopici, come una palla o un peso di metallo, si può fare un esperimento suggestivo, ma le imperfezioni ambientali diventano subito ingombranti. Con gli atomi freddi, invece, il confronto tra due specie diverse che cadono insieme può essere spinto molto più a fondo, ed è proprio lì che eventuali crepe nella teoria dovrebbero mostrarsi per prime.
Il ragionamento che spinge tanti gruppi di ricerca a insistere su questo tipo di test è semplice da riassumere. La relatività generale funziona benissimo su grande scala, la meccanica quantistica funziona benissimo su scala microscopica, ma le due descrizioni non si parlano volentieri. Molte proposte teoriche che cercano di unificarle prevedono violazioni piccolissime del principio di equivalenza. Cercarle significa andare a caccia di deviazioni minime, tanto minime da richiedere condizioni sperimentali quasi impossibili da ottenere sulla superficie terrestre.
Il vantaggio di lavorare in orbita
Ed è qui che entra in gioco lo spazio. In un laboratorio a terra la caduta dura una frazione di secondo, poi gli atomi arrivano a fondo apparato e l’osservazione finisce. In condizioni di microgravità, invece, il tempo utile per osservare il moto si allunga parecchio, e più a lungo si guarda, più la misura diventa sensibile. Le vibrazioni, le correnti d’aria, i piccoli disturbi che a terra sporcano ogni rilevazione, in orbita pesano diversamente. Tiangong, da questo punto di vista, funziona come una torre di Pisa senza pavimento.
Il risultato ottenuto dal laboratorio cinese va nella direzione che quasi tutti si aspettavano, cioè conferma la teoria di Einstein anziché smentirla. Nessuna sorpresa clamorosa, nessun crollo di paradigmi. Ma nella fisica sperimentale una conferma non è mai un esito banale, perché ogni test superato restringe lo spazio in cui possono nascondersi le teorie alternative e alza l’asticella per chi verrà dopo.
Gli esperimenti di caduta libera condotti fuori dall’atmosfera rappresentano quindi una linea di ricerca destinata a proseguire, con strumenti sempre più raffinati e tempi di osservazione più lunghi. Le nuvole di rubidio della stazione cinese, per ora, hanno dato la stessa risposta che avrebbe dato Galileo guardando cadere due sfere.
