I ricercatori hanno ideato un metodo per simulare le onde gravitazionali in laboratorio utilizzando condensati quantistici, fornendo un approccio pratico allo studio di questi complessi eventi cosmici e approfondendo la nostra comprensione della fisica fondamentale attraverso una ricerca innovativa e interdisciplinare.
Onde gravitazionali create dagli atomi
Quando due buchi neri si scontrano, inviano increspature nello spazio e nel tempo, proprio come le onde che si diffondono in uno stagno. Queste increspature, note come onde gravitazionali, sono state previste per la prima volta da Einstein nel 1916 e finalmente rilevate nel settembre 2015 dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ( LIGO ).
Rilevare le onde gravitazionali, tuttavia, è un’impresa ingegneristica titanica: per misurare un’onda che distorce lo spazio-tempo su scala cosmica, è richiesta una precisione tale da distinguere variazioni di distanza inferiori alle dimensioni di un nucleo atomico.
Ma ora, i ricercatori dell’Okinawa Institute for Science and Technology (OIST), dell’Università di Tohoku e dell’Università di Tokyo hanno proposto un metodo per simulare le onde gravitazionali sul banco di laboratorio attraverso il condensato quantistico di atomi freddi.
Gli scienziati sono tutti membri attuali o precedenti della Theory of Quantum Matter Unit presso l’OIST e le loro scoperte sono state ora pubblicate sulla rivista Physical Review B.
L’universo in un laboratorio: atomi freddi e onde gravitazionali
Nic Shannon, autore senior dello studio e capo dell’unità, ha dichiarato: “La teoria della relatività generale di Einstein ha cambiato il modo in cui pensiamo allo spazio e al tempo. Ci ha insegnato che lo spazio può piegarsi per creare un buco nero e che può vibrare, creando onde che attraversano l’universo alla velocità della luce. Queste onde gravitazionali contengono informazioni importanti sul nostro universo. Il problema è che sono molto, molto difficili da osservare”.
Per affrontare questa sfida, gli scienziati hanno costruito telescopi giganti per onde gravitazionali come LIGO negli USA, l’interferometro Virgo in Europa e il Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) in Giappone. Ma anche con questi strumenti che misurano molti chilometri di diametro, possiamo rilevare solo onde provenienti dagli eventi astronomici più violenti, come la collisione di buchi neri.
Un approccio alternativo è quello di esplorare fenomeni sulla Terra che imitano diversi aspetti della relatività generale. Per caso, il team si è reso conto che un fenomeno quantistico che avevano studiato nel contesto di magneti e atomi freddi in laboratorio poteva fornire un analogo esatto delle onde gravitazionali.
Il professor Han Yan dell’Università di Tokyo ha affermato: “Questo risultato è importante, perché consente di simulare e studiare le onde gravitazionali in un contesto sperimentale molto più semplice e di utilizzare i risultati per aiutarci a comprendere le onde gravitazionali reali”.
I condensati di Bose-Einstein svelano i segreti delle onde gravitazionali
Oltre alle sue previsioni sulle onde gravitazionali, Einstein ha predetto anche che i bosoni, un tipo di particella quantistica, potevano, una volta raffreddati, esistere in uno stato che consentiva la formazione del condensato di Bose-Einstein (BEC), per cui un gruppo di particelle agisce in perfetta sincronia.
Il team si è concentrato sulla materia in uno specifico tipo di BEC, chiamato spin nematics.
Il Prof. Shannon ha spiegato: “Le fasi nematiche sono ovunque intorno a noi, nei Liquid Crystal Display (LCD) dei nostri smartphone, tablet e televisori. Negli LCD, minuscole molecole a forma di bastoncino si allineano uniformemente e controllano il flusso di luce sullo schermo. Il team OIST studiava da tempo le versioni quantistiche dei cristalli liquidi, spin nematics. A differenza delle molecole negli LCD, le particelle quantistiche in uno stato spin nematico supportano le onde, che trasportano energia attraverso il sistema”.
Ed ha aggiunto: “Ci siamo resi conto che le proprietà delle onde nello stato spin nematico sono matematicamente identiche a quelle delle onde gravitazionali, e grazie al lavoro precedente con i professori Rico Pohle e Yutaka Akagi, sapevamo come simulare queste onde”.
La dott.ssa Leilee Chojnacki dell’unità OIST e autrice principale dello studio, ha concluso: “Sono sempre stata affascinata dal fatto che possiamo descrivere fenomeni apparentemente diversi tramite strutture matematiche sottostanti molto simili, e per me questa è la parte più bella della fisica. Quindi, è stato molto emozionante per me lavorare su due rami della fisica molto diversi, le onde gravitazionali e la fisica quantistica degli atomi freddi, e unirli in un modo che non era mai stato esplorato in precedenza”.
