Ovunque si guardi, è possibile percepire l’impronta della gravità. È nel percorso che la Luna compie attorno alla Terra ogni notte o quando cadiamo su una lastra ghiacciata del marciapiede.
La percezione della gravità
La forza di gravità governa la nostra vita quotidiana e può persino aiutarci a rilevare la collisione di buchi neri a miliardi di anni luce di distanza. Tuttavia, anche se è indispensabile sulla scala umana e nel Cosmo, è appena percettibile quando si valuta il mondo a livello quantistico.
Per decenni, gli scienziati hanno sognato di trovare un modo per conciliare gli effetti della gravità sia sulla scala classica che su quella quantistica attraverso idee complesse come la teoria delle stringhe o la gravità quantistica a loop. Una teoria unificata della gravità potrebbe essere la chiave per risolvere anche altre grandi questioni dell’Universo, come come è iniziato il Big Bang o cosa costituisce la materia oscura.
Mentre entrambe le idee hanno tuttavia i loro meriti in teoria, essere effettivamente in grado di rilevare i piccoli effetti della gravità a livello quantistico è tutta un’altra questione.
Un nuovo studio
Un nuova ricerca pubblicata su Science Advances, un gruppo di ricerca del Regno Unito, dei Paesi Bassi e dell’Italia ha progettato un esperimento così sensibile da poter misurare una forza gravitazionale pari a un quintilionesimo di Newton (sulla scala di 1 attoNewton) su una particella che pesa solo 0,43 milligrammi.
Tjerk Oosterkamp, autore senior della ricerca e Professore di fisica teorica presso l’Università di Leida nei Paesi Bassi, ha affermato che, nonostante la forza gravitazionale misurata dal suo team fosse su una particella molto piccola (in effetti, la particella più piccola ad oggi per cui sia stata misurata una tale forza), ha sottolineato che questa misurazione è ancora “a un milione di miglia di distanza” dalla dimostrazione della gravità quantistica.
“Quello che stiamo dicendo è che questo è un passo avanti verso la misurazione degli effetti della gravità quantistica“, ha spiegato Oosterkamp.
Essere in grado di misurare questi effetti potrebbe rappresentare un primo passo importante verso una sua comprensione più chiara, che potrebbe svelare segreti sull’origine stessa dell’Universo.
Si può pensare agli effetti gravitazionali come a un’onda sonora. Per rilevare un rumore più silenzioso, un registratore audio deve essere più sensibile e deve filtrare il rumore di fondo. Allo stesso modo, più piccolo è un oggetto, più “silenziosa” è la sua forza gravitazionale.
Per “sentirla” sulla loro particella da 0,43 milligrammi, Oosterkamp e i suoi colleghi hanno dovuto progettare un esperimento per ascoltare molto attentamente mentre filtravano le vibrazioni non gravitazionali, come il movimento casuale delle particelle che ronzano e si scontrano e che creano energia termica. Più freddo è l’esperimento, meno vibrazioni vaganti devono essere rimosse.
Per fare questo, il team si è affidato a una combinazione di strumenti per aumentare la sensibilità, tra cui: un frigorifero a diluizione (simile a quelli usati per raffreddare i computer quantistici ) per ridurre al minimo l’energia termica, un sistema massa-molla per assorbire le vibrazioni ambientali e una “trappola” superconduttrice per far levitare la piccola particella e isolarla da eventuali vibrazioni persistenti.
Una seconda massa sorgente da 2,4 chilogrammi è stata posizionata nelle vicinanze per creare una forza gravitazionale per la particella in levitazione. In un simile esperimento sono necessari due oggetti con massa in modo che la forza gravitazionale di una sorgente possa agire sull’altra, proprio come la Terra e la Luna.
Secondo Oosterkamp, costruire questo marchingegno per funzionare in condizioni di freddo così estremo, molto vicine allo zero assoluto, o -273,15 gradi Celsius, è quello che contraddistingue questo risultato. Ed è anche il motivo per cui ha potuto che l’esperimento non avrebbe mai potuto avere luogo, per cominciare.
“È stato inaspettato che funzionasse davvero“, ha detto Oosterkamp: “Ho mostrato i miei lavori a un collega in pensione quando è tornato in laboratorio e ha visto tutte queste masse e molle sospese da questa piastra molto fredda nel nostro frigorifero a diluizione e mi ha chiesto ‘Perché pensi di poter raffreddare anche solo questo albero di Natale?'”
Yasunori Nomura, Professore di fisica teorica presso l’UC Berkeley, il cui lavoro si concentra sulla teoria quantistica e sulla gravità quantistica, ha affermato che, sebbene questo progetto sperimentale potrebbe svolgere un ruolo nell’isolare le forze gravitazionali su particelle ancora più piccole, potrebbe comunque presentare delle limitazioni quando si tenta di misurare la gravità quantistica stessa.
“Questa misurazione è un passo avanti verso l’osservazione diretta delle forze gravitazionali in un regime veramente quantistico“, ha aggiunto Nomura. Tuttavia, un punto dolente è che si pensa che gli effetti della gravità quantistica diventino significativi solo a scale estremamente piccole: “Raggiungere queste scale con le attuali tecniche di misurazione, inclusa la levitazione di una piccola massa in trappole superconduttrici, è impossibile“, ha sostenuto Nomura.
Nomura sostiene che potrebbero esserci anche altri approcci che evitano del tutto la misurazione diretta di piccole particelle.
Esperimenti come il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) con sede negli Stati Uniti e l’osservatorio di Virgo (VIRGO) con sede in Italia stanno già misurando piccolissimi cambiamenti nel percorso di un laser su diversi chilometri.
“Speriamo di costruire il successore di LIGO/VIRGO, che si chiama Einstein Telescope”, ha dichiarato Oosterkamp. Questo telescopio dovrebbe essere costruito in Europa a metà degli anni 2030: “Il team LIGO/VIRGO può insegnarci anche vibrazioni più basse, e noi diciamo loro cosa sappiamo sul raffreddamento delle cose”.
Conclusioni
Rana Adhikar, professore di fisica al CalTech che ha contribuito a LIGO, ha concordato sul fatto che imparare a limitare le vibrazioni tramite raffreddamento avrà un ruolo importante nei futuri rilevatori.
“La parte più interessante di questo lavoro è come riescono a ottenere una temperatura così bassa e a mantenere rumori di accelerazione così squisitamente bassi“, ha affermato Adhikari: “I futuri rilevatori dovranno basarsi sulle fondamenta di questo lavoro. Essere in grado di operare a una temperatura così bassa eliminerebbe quasi tutte le fonti di rumore termodinamico con cui abbiamo difficoltà”.
Sebbene il lavoro di Oosterkamp non abbia risolto la questione, Adhikari ha dichiarato che è probabile che sia uno dei tanti tasselli del puzzle che sbloccheranno questa scoperta scientifica che cambierà il mondo.
“Questo lavoro è un grande esempio di come l’ingegnosità sperimentale possa portare a effettuare misurazioni dell’Universo in un modo nuovo“, ha concluso Adhikari: “La strada verso la gravità quantistica sarà decorata con esperimenti di sensibilità sempre crescente“.
