Gli scienziati hanno fatto un passo avanti nella misurazione della gravità quantistica: un’impresa che getta le basi per sondarne la natura nel misterioso regno quantistico.
Registrata una gravità quantistica di 30 quintilionesimi di newton su una particella larga meno di un millimetro
In un esperimento che ha utilizzato un sofisticato apparato superconduttore raffreddato fino a un soffio dallo zero assoluto e meno sofisticati pesi di ottone attaccati a una ruota di bicicletta elettrica, i fisici hanno registrato una gravità quantistica di 30 quintilionesimi di newton su una particella larga meno di un millimetro.
La dimostrazione apre la strada a lavori futuri in cui i ricercatori mirano a misurare la gravità generata da particelle sempre più piccole per capire come si comporta questa forza insolita nel mondo subatomico dove dominano le regole quantistiche.
“Sappiamo che la meccanica quantistica e la relatività generale, la teoria della gravità di Einstein, non sono conciliabili come le formuliamo ora”, ha affermato Tim Fuchs, fisico sperimentale post-dottorato presso l’Università di Southampton: “Le teorie non funzionano insieme, quindi sappiamo che qualcosa deve dare, o entrambi devono dare. Si tratta di cercare di colmare le lacune con esperimenti reali”.
Per più di un secolo, i fisici hanno tentato, senza riuscirci, di combinare la gravità, che descrive come la massa piega lo spazio-tempo, con la teoria quantistica e le regole del mondo subatomico. Comprendere la gravità su scala quantistica potrebbe aiutare a risolvere alcuni dei grandi misteri dell’universo, da come tutto ha avuto inizio fino a ciò che accade all’interno dei buchi neri. Ma mentre i teorici hanno escogitato una serie di idee promettenti, si è rivelato difficile progettare esperimenti per vedere quali, se ce ne sono, la natura ha scelto.
Nell’ultimo lavoro Fuchs e colleghi dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi e dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie in Italia hanno trovato un modo per misurare le forze gravitazionali estremamente sottili che esistono tra piccoli oggetti.
L’esperimento, che è stato protetto contro le interferenze delle vibrazioni, è stato incentrato su una particella magnetica che veniva fatta levitare sopra un superconduttore raffreddato a un centesimo di grado sopra lo zero assoluto, o -273,15°C, la temperatura più fredda possibile nell’universo.
L’attrazione quasi trascurabile sulla particella sospesa è stata quindi misurata mentre una ruota di bicicletta elettrica dotata di pesi di ottone ha ruotato a circa un metro di distanza, avvicinando i pesi alla particella e poi riportandoli indietro.
“Quando inizi a girare la ruota, la particella si muove, un po’ come un’altalena. La forza gravitazionale la attira, poi inizia a lasciarla andare, e poi la attira di nuovo”, ha spiegato Fuchs. La forza gravitazionale tra due oggetti dipende dalle loro masse e dalla distanza tra loro. Più sono grandi e vicini, più forte è l’attrazione.
I fisici hanno descritto come la particella da mezzo milligrammo è stata delicatamente attratta da una forza di 30 attonewton nel loro esperimento. Un attonewton è un miliardesimo di miliardesimo di newton: “Sicuramente non è ancora la gravità quantistica, ma è un trampolino di lancio verso di essa“, ha aggiunto Fuchs.
Avendo dimostrato che l’apparecchiatura funziona, i ricercatori sperano ora di misurare come si comporta la gravità quantistica tra particelle sempre più piccole che sono sempre più influenzate dalle regole della meccanica quantistica. Ma ci vorrà del tempo: per le prime misurazioni potrebbero volerci altri cinque o dieci anni, ritiene Fuchs: “Questo è qualcosa che dobbiamo assolutamente sondare con gli esperimenti”.
Che cos’è la gravità quantistica?
La gravità è stata la prima forza fondamentale riconosciuta dall’umanità, eppure rimane la meno compresa. I fisici possono prevedere l’influenza della gravità su palle da bowling, stelle e pianeti con estrema precisione, ma nessuno sa come la forza interagisce con le particelle minuscole, o quanti.
La ricerca quasi secolare di una teoria della gravità quantistica, una descrizione di come funziona la forza per le parti più piccole dell’universo, è guidata dalla semplice aspettativa che un unico regolamento gravitazionale possa governare tutte le galassie, i quark e tutto quello che sta in mezzo.
“Se non esiste una teoria della gravità quantistica, allora l’universo è solo caos. È solo casuale“, ha detto Netta Engelhardt, fisica teorica del Massachusetts Institute of Technology: “Non posso nemmeno dire che sarebbe caotico o casuale perché si tratta in realtà di processi fisici legittimi”.
Le forze elettriche e magnetiche provengono da oggetti che scambiano particelle note come fotoni virtuali. Ad esempio, la forza che attacca un magnete al frigorifero può essere descritta come un campo magnetico classico e uniforme, ma i dettagli più fini del campo dipendono dalle particelle quantistiche che lo creano.
Delle quattro forze fondamentali dell’universo (gravità, elettromagnetismo e forze nucleari forti e deboli), solo alla gravità manca la descrizione “quantistica“. Di conseguenza, nessuno sa con certezza (anche se ci sono molte idee) da dove provengano i campi gravitazionali o come agiscono le singole particelle al loro interno.
Una teoria, nota come gravità quantistica a loop, mira a risolvere il conflitto tra particelle e spazio-tempo suddividendo lo spazio e il tempo in piccoli frammenti: una risoluzione definitiva oltre la quale non è possibile effettuare alcuno zoom.
