Per la prima volta è stato misurato il debole campo gravitazionale tra due sferette d’oro del peso di 90 milligrammi. Questo è l’intensità del campo gravitazionale più debole mai misurato fino ad ora.
Il risultato potrebbe aprire a nuove vie che ci permetteranno di misurare le interazioni gravitazionali nel mondo quantistico. La matematica che utilizziamo per descrivere il comportamento dell’universo non ci permette di capire come funziona il campo gravitazionale.
Questo perché la forza di gravità, a differenza delle altre tre forze fondamentali della natura, la forza forte, la forza debole e la forza elettromagnetica non può essere descritta dal modello standard della fisica.
Per trovare una descrizione della gravità e del campo gravitazionale ci affidiamo alla teoria della relatività generale descritta da Albert Einstein nel 1916. Questa teoria funziona in quasi tutti i contesti in cui viene utilizzata. Tuttavia, quando si cerca di effettuare una misurazione alle scale quantistiche, la relatività generale perde la sua validità e la meccanica quantistica prende il sopravvento.
Tutti i tentativi di unire la relatività alla meccanica quantistica per trovare una descrizione della natura che incorpori anche la gravità non sono andati a buon fine.
La relatività generale sostituisce e amplia la legge di gravitazione universale di Newton, che non aveva intuito che lo spaziotempo era un’entità dinamica che poteva deformarsi in presenza di una massa.
Il campo gravitazionale e la legge di Newton
La legge sulla gravitazione universale formulata da Newton afferma che due corpi dotati di massa si attraggono con una forza che è direttamente proporzionale al prodotto delle masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.
La fisica newtoniana funziona bene per la maggior parte delle applicazioni terrestri, anche se non è molto precisa per quanto riguarda l’ambito astrofisico.
Come si può misurare allora il campo gravitazionale generato da corpi molto piccoli?
Generalmente questi campi sono estremamente difficili da misurare, perché è difficile separarli dagli effetti della gravità terrestre o da altre perturbazioni.
La maggior parte dei test che fino ad ora hanno cercato di misurare il campo gravitazionale a piccole scale hanno coinvolto masse di almeno un chilogrammo.
Un recente esperimento ha misurato un campo gravitazionale estremamente debole esercitato tra due oggetti molto piccoli.
Un team di scienziati guidato da Tobias Westphal dell’Accademia austriaca delle scienze si è rivolto al XVIII secolo per trovare ispirazione prendendo spunto dal primo esperimento effettuato in laboratorio per misurare la gravità tra due masse e fornire i primi valori accurati della costante gravitazionale.
L’esperimento di Cavendish su piccola scala
Il team ha utilizzato l’esperimento di Cavendish, eseguito dallo scienziato britannico Henry Cavendish, che è stato il primo esperimento ideato per misurare la forza di gravità in laboratorio. Con questo esperimento per la prima volta si è calcolato un valore molto preciso della costante gravitazionale.
L’apparecchio realizzato da Cavendish era una bilancia di torsione composta da un’asta di legno sospesa ad un filo, con due sfere di piombo attaccate ad ogni estremità.
L’esperimento realizzato in laboratorio da Cavendish ha portato alla misurazione della debole attrazione gravitazionale tra le sfere piccole e quelle più grandi. Le sfere di piombo utilizzate all’epoca da Cavendish erano decisamente pesanti, quella più piccola pesavano 0,73 chilogrammi, quelle più grandi pesavano 158 chilogrammi.
Westphal e il suo team hanno modificato l’esperimento di Cavendish per effettuare il test su una scala enormemente più piccola. Il team ha infatti utilizzato due minuscole sfere d’oro, ciascuna di appena 1 millimetro di raggio e 92 milligrammi di peso.
Su queste scale, il team doveva tenere conto di diverse di perturbazioni. Due sfere d’oro erano attaccate a una bacchetta di vetro orizzontale ad una distanza di 40 millimetri.
Una delle sfere era la massa di prova, l’altra il contrappeso; una terza sfera, la massa sorgente, è stata spostata vicino alla massa di prova per creare un’interazione gravitazionale.
Per bloccare l’interazione elettromagnetica tra le sfere d’oro è stato utilizzato uno scudo di Faraday. L’esperimento è stato effettuato in una camera a vuoto per prevenire interferenze acustiche e sismiche. Un laser è stato fatto rimbalzare su uno specchio al centro dell’asta su un rilevatore.
Mentre l’asta si torceva, il movimento del laser sul rilevatore indicava quanta forza gravitazionale veniva esercitata e lo spostamento della massa sorgente ha permesso al team di calcolare con precisione il campo gravitazionale prodotto dalle due masse.
L’esperimento ha dimostrato che, anche a queste scale, la legge universale di gravitazione di Newton mantiene la sua validità. Dalle loro misurazioni, sono stati anche in grado di calcolare la costante gravitazionale.
Nel complesso, il risultato raggiunto dal team mostra che in futuro potranno essere effettuate misurazioni del campo gravitazionale su scale ancora più piccole. Questo potrebbe consentire agli scienziati di sondare il mondo quantistico, e potenzialmente offrire spunti su altri misteri irrisolti come: materia oscura, energia oscura, la teoria delle stringhe e campi scalari .
