Gravità: l’enigma quantistico che sfida la comprensione dell’Universo

I ricercatori del MIT hanno intrapreso un percorso audace per esplorare uno dei più grandi enigmi della scienza: la gravità è realmente una forza quantistica? Questo quesito ha afflitto i fisici per decenni, poiché mentre le altre forze fondamentali dell’universo – elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte – sono state descritte con successo dalla teoria quantistica, la gravità rimane ancora un caso a sé stante.

Finora, gli scienziati non sono riusciti a formulare una teoria quantistica coerente della gravità, lasciando una lacuna fondamentale nella nostra comprensione dell’Universo.

La gravità: un mistero quantistico aperto

Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno adottato un metodo innovativo. Hanno raffreddato un minuscolo specchio fino a temperature prossime allo zero assoluto utilizzando il laser, una tecnica tradizionalmente impiegata nella fisica atomica. Questa fusione di raffreddamento all’avanguardia e strumenti classici apre una nuova finestra sperimentale sull’intersezione tra meccanica quantistica e gravità.

Come ha spiegato Dongchel Shin, dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, “i fisici teorici hanno proposto molti possibili scenari, dalla gravità intrinsecamente classica a quella completamente quantistica, ma il dibattito rimane irrisolto perché non abbiamo mai avuto un modo chiaro per testare la natura quantistica della gravità in laboratorio“.

Ha inoltre sottolineato che “la chiave per rispondere a questa domanda sta nel preparare sistemi meccanici sufficientemente massivi da percepirla, ma sufficientemente silenziosi – sufficientemente quantistici – da rivelare come la gravità interagisce con essi“. Questa ricerca potrebbe finalmente permettere agli scienziati di osservare se si comporta come le altre forze quantistiche.

Un ponte tra tecnologie e misteri secolari

Dongchel Shin, anche MathWorks Fellow, si dedica alla creazione di piattaforme sperimentali che spingono i confini della fisica, gettando le basi per le tecnologie del futuro. In un loro recente studio, Shin e il suo team hanno compiuto un passo avanti significativo, riuscendo a utilizzare i laser per raffreddare un minuscolo dispositivo meccanico conosciuto come oscillatore torsionale. Questo lavoro dimostra come questa metodologia possa contribuire a svelare se la gravità si comporta secondo le leggi della meccanica quantistica.

Sebbene i fisici abbiano impiegato i laser per raffreddare i gas atomici fin dagli anni ’80 e più recentemente per controllare il movimento di sistemi meccanici su scala nanometrica, questa ricerca segna la prima volta che il raffreddamento laser viene applicato a un oscillatore torsionale. Questo strumento riveste un ruolo cruciale negli esperimenti volti a comprendere la sua vera natura.

Come ha spiegato Shin, i pendoli di torsione sono stati strumenti fondamentali nella ricerca sulla gravità fin dal celebre esperimento di Henry Cavendish del 1798. Storicamente, sono stati impiegati per misurare la costante gravitazionale di Newton, G, per verificare la legge dell’inverso del quadrato e per cercare nuovi fenomeni gravitazionali.

Negli ultimi decenni, grazie all’uso dei laser per eliminare quasi ogni movimento termico dagli atomi, gli scienziati hanno creato gas atomici ultrafreddi, raggiungendo temperature di micro e nanokelvin. Questi sistemi avanzati ora sono alla base degli orologi più precisi al mondo, gli orologi ottici a reticolo, che vantano una precisione di misurazione del tempo tale da perdere o guadagnare meno di un secondo nell’arco dell’intera età dell’Universo.

Shin ha sottolineato la novità di questa fusione tecnologica: “Storicamente, queste due tecnologie si sono sviluppate separatamente: una nella fisica gravitazionale, l’altra nella fisica atomica e ottica. Nel nostro lavoro, le uniamo. Applicando tecniche di raffreddamento laser originariamente sviluppate per gli atomi a un oscillatore torsionale di dimensioni centimetriche, cerchiamo di colmare il divario tra il mondo classico e quello quantistico. Questa piattaforma ibrida consente una nuova classe di esperimenti che potrebbero finalmente permetterci di verificare se debba essere descritta dalla teoria quantistica“.

La leva ottica a specchio: precisione amplificata

Un recente articolo scientifico ha dimostrato il successo del raffreddamento laser di un oscillatore torsionale su scala centimetrica, portandolo dalla temperatura ambiente a un impressionante valore di 10 millikelvin (ovvero un millesimo di kelvin). Questo risultato è stato ottenuto impiegando una tecnica innovativa basata sulla leva ottica a specchio.

La leva ottica a specchio è una tecnica di misurazione allo stesso tempo semplice e potente. Come ha spiegato Shin, consiste nel puntare un laser su uno specchio: anche la più minima inclinazione dello specchio provoca uno spostamento sensibile del raggio riflesso su un rilevatore. Questo meccanismo amplifica i piccoli movimenti angolari, trasformandoli in segnali facilmente misurabili. Tuttavia, nonostante la premessa sia semplice, il team ha dovuto superare significative difficoltà pratiche.

Il raggio laser stesso può subire leggere oscillazioni dovute a fattori esterni come correnti d’aria, vibrazioni o imperfezioni nell’ottica. Queste oscillazioni indesiderate possono essere erroneamente interpretate come movimento dello specchio, limitando la capacità di misurare segnali fisici reali con la precisione necessaria.

Per superare questo ostacolo, il team ha sviluppato un approccio innovativo che sfrutta una seconda versione specchiata del raggio laser per annullare le vibrazioni indesiderate. Shin descrive il processo: un fascio laser interagisce direttamente con l’oscillatore torsionale, mentre l’altro si riflette su uno specchio a cubo angolare, invertendo qualsiasi “jitter” (tremolio) senza rilevare il movimento effettivo dell’oscillatore. Quando i due fasci vengono combinati al rivelatore, il segnale reale proveniente dall’oscillatore viene preservato, e il falso movimento causato dal jitter del laser viene efficacemente annullato.

Questo approccio avanzato ha permesso di ridurre il rumore di un fattore mille, consentendo ai ricercatori di rilevare il movimento con una precisione estrema, quasi dieci volte superiore alle fluttuazioni quantistiche di punto zero dell’oscillatore stesso. Shin afferma che “quel livello di sensibilità ci ha permesso di raffreddare il sistema fino a soli 10 millikelvin utilizzando la luce laser”.

Nonostante l’importante traguardo, Shin sottolinea che questo lavoro è solo l’inizio: “Sebbene abbiamo raggiunto una precisione quantistica limitata al di sotto del moto di punto zero dell’oscillatore, raggiungere l’effettivo stato fondamentale quantistico rimane il nostro prossimo obiettivo“.

Per realizzare ciò, sarà necessario rafforzare ulteriormente l’interazione ottica, magari utilizzando una cavità ottica che amplifica i segnali angolari o impiegando strategie di intrappolamento ottico. Questi miglioramenti potrebbero aprire le porte a esperimenti futuri in cui due di questi oscillatori interagiranno unicamente attraverso la gravità, permettendo così di verificare direttamente se la gravità sia intrinsecamente quantistica.

Tra gli altri illustri autori dell’articolo, provenienti dal Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, figurano Vivishek Sudhir, professore associato e Professore di Sviluppo di Carriera della Classe del 1957, e il dottorando Dylan Fife. Hanno contribuito al lavoro anche Tina Heyward e Rajesh Menon del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università dello Utah. Sia Shin che Fife sono membri del laboratorio di Sudhir, il Quantum and Precision Measurements Group.

Shin ha fatto una riflessione sul suo percorso, affermando di aver acquisito una profonda consapevolezza della vastità della sfida che il team sta affrontando: “Studiare sperimentalmente gli aspetti quantistici della gravità non richiede solo una profonda comprensione della fisica – relatività, meccanica quantistica – ma esige anche competenze pratiche nella progettazione di sistemi, nella nanofabbricazione, nell’ottica, nel controllo e nell’elettronica”.

“Avere una formazione in ingegneria meccanica, che abbraccia sia gli aspetti teorici che pratici dei sistemi fisici, mi ha dato la giusta prospettiva per orientarmi e contribuire in modo significativo in questi diversi ambiti“, ha concluso Shin, definendo “incredibilmente gratificante” vedere come una formazione così ampia possa contribuire ad affrontare una delle domande più fondamentali della scienza.

Lo studio è stato pubblicato su Optica.