Gli scienziati stanno sviluppando un esperimento per verificare se la gravità è quantistica, una delle domande più enigmatiche sul nostro universo.
Nella meccanica quantistica, che descrive il comportamento di atomi e molecole, gli oggetti si comportano diversamente da tutto ciò che conosciamo: possono trovarsi in una sovrapposizione quantistica in due posti contemporaneamente.
Ora, gli scienziati stanno studiando un modo per determinare se la gravità opera in questo modo, facendo levitare micro diamanti nel vuoto. Se la gravità è quantistica, “intreccerebbe” i diamanti, un fenomeno che collega fortemente due oggetti in modi impossibili nella vita di tutti i giorni.
Questa ricerca aiuterà a comprendere meglio i buchi neri, il Big Bang e l’universo.
Un nuovo esperimento
La relatività generale e la meccanica quantistica sono le due descrizioni fondamentali della natura che abbiamo. La relatività generale spiega la gravità su larga scala mentre la meccanica quantistica spiega il comportamento di atomi e molecole.
La sfida delle teorie unificanti
Probabilmente il problema irrisolto più importante nella fisica fondamentale è il modo corretto di riunire queste due teorie, per determinare se la gravità opera a livello quantistico. Sebbene il lavoro teorico abbia proposto molte possibilità, sono necessari esperimenti per comprendere appieno il comportamento della gravità.
Esperimento rivoluzionario del Global Consortium
Per cento anni gli esperimenti sulla natura quantistica della gravità sono sembrati fuori portata, ma ora gli scienziati delle università di Warwick, UCL, Yale (USA), Northwestern (USA) e Groningen (Olanda) stanno lavorando insieme per indagare su questo enigma.
La loro nuova idea è quella di far levitare due microdiamanti nel vuoto e metterli ciascuno in una sovrapposizione quantistica di trovarsi in due posti contemporaneamente. Questo comportamento controintuitivo è una caratteristica fondamentale della meccanica quantistica.
L’intuizione del professor Morley sull’esperimento
Ogni diamante può essere pensato come una versione più piccola del gatto di Schrödinger. Il ricercatore principale, il Professor Gavin Morley, del Dipartimento di Fisica, Università di Warwick, ha spiegato: “Il gatto di Schrödinger è un esperimento mentale che sottolinea che sarebbe davvero strano se gli oggetti di uso quotidiano (e gli animali domestici) potrebbero trovarsi in una sovrapposizione quantistica in due posti contemporaneamente. Vogliamo testare i limiti di questa idea”.
“Atomi e molecole sono stati messi con successo in tale stato di sovrapposizione, ma vogliamo farlo con oggetti molto più grandi. I nostri diamanti sono costituiti da un miliardo di atomi o più. Per testare la natura quantistica della gravità, dovremmo cercare le interazioni tra due di questi diamanti dovute alla gravità”.
“Se la gravità fosse quantistica, allora sarebbe in grado di intrecciare i due diamanti. L’entanglement è un effetto quantistico unico nel suo genere in cui due cose sono collegate più fortemente di quanto sia possibile nella nostra vita quotidiana. Ad esempio, se due monete potessero rimanere impigliate, potresti scoprire che ogni volta che le lanci, cadono entrambe nello stesso modo, anche se è impossibile sapere in anticipo se saranno entrambe testa o entrambe croci”.
Sfide e implicazioni
Ci sono ancora molte sfide per realizzare questa idea, che il team esaminerà durante il progetto. “Ad esempio, dobbiamo eliminare tutte le interazioni tra le nanoparticelle diverse dalla gravità, il che è incredibilmente impegnativo poiché la gravità è così debole”, ha affermato il dott. David Moore, della Yale University.
Il professor Morley, che è il direttore fondatore di Warwick Quantum, una nuova iniziativa interdisciplinare per la ricerca sulla tecnologia quantistica, ha aggiunto: “Per me, il problema più importante in fisica in questo momento è sviluppare un esperimento in grado di testare la natura quantistica della gravità. Questo nuovo progetto rappresenta un’accelerazione nel nostro entusiasmante viaggio verso questo obiettivo”.
Prospettive degli scienziati che collaborano
Il professor Sougato Bose, UCL, ha commentato: “È difficile sopravvalutare quanto sarebbe significativo per i fisici avere esperimenti in grado di sondare il modo corretto di combinare la meccanica quantistica e la relatività generale. Le persone che lavorano su teorie della gravità quantistica, come la teoria delle stringhe, in genere si concentrano su ciò che accade alle alte energie, vicino ai buchi neri e al Big Bang.
“Al contrario, il nostro lavoro si svolge nel regime di bassa energia proprio qui sulla Terra, ma fornirebbe anche informazioni preziose se la gravità è quantistica oppure no. Inoltre, l’esperimento può essere considerato come la verifica di una previsione generica di qualsiasi teoria quantistica della gravità a basse energie.”
Il professor Anupam Mazumdar, dell’Università di Groningen, ha aggiunto: “Nel percorso verso la comprensione della natura quantistica della gravità, potremmo essere in grado di testare altri aspetti della fisica fondamentale come le deviazioni esotiche dalla gravità newtoniana su brevi distanze”.
“Si tratta di un esperimento impegnativo e questo progetto è un apripista per affrontare alcune delle principali sfide tecniche per rendere questi test sugli aspetti quantistici della gravità una realtà”, ha affermato Andrew Geraci, professore associato di fisica, Università nordoccidentale.
Il progetto si chiama “MAST-QG: Superposizioni macroscopiche verso la testimonianza della natura quantistica della gravità”.
