Un orologio ultra preciso mostra come collegare il mondo quantistico alla gravità

È stato scoperto che il tempo scorre in modo diverso tra la parte superiore e quella inferiore di una singola nuvola di atomi. I fisici sperano che un giorno un tale sistema li aiuterà a combinare la meccanica quantistica e la teoria della gravità di Einstein

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Il famigerato paradosso dei gemelli invia l’astronauta Alice in un viaggio spaziale velocissimo. Quando torna per riunirsi con il suo gemello, Bob, Alice scopre che lui è invecchiato molto più velocemente di lei. È un risultato noto ma sconcertante: il tempo rallenta se ti muovi velocemente.

La gravità fa la stessa cosa. La Terra – o qualsiasi corpo massiccio – deforma lo spazio-tempo in un modo che rallenta il tempo, secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein. Se Alice vivesse la sua vita al livello del mare e Bob in cima all’Everest, dove l’attrazione gravitazionale della Terra è leggermente più debole, invecchierebbe di nuovo più velocemente. La differenza sulla Terra è modesta ma reale: è stata misurata mettendo orologi atomici sulle cime delle montagne e nei fondovalle e misurando la differenza.

I fisici sono ora riusciti a misurare questa differenza al millimetro. In un articolo pubblicato all’inizio di questo mese sul server di prestampa scientifica arxiv.org, i ricercatori del laboratorio di Jun Ye, un fisico della JILA di Boulder, in Colorado, hanno misurato la differenza nel flusso di tempo tra la parte superiore e quella inferiore, alta un millimetro di una nuvola di atomi.

Il lavoro è un passo verso lo studio della fisica all’intersezione tra relatività generale e meccanica quantistica, due teorie notoriamente incompatibili. Il nuovo orologio prende un sistema fondamentalmente quantistico – un orologio atomico – e lo intreccia con l’attrazione della gravità.

Nell’esperimento, il team di Ye ha utilizzato un orologio reticolare ottico, una nuvola di 100.000 atomi di stronzio che può essere solleticata da un laser. Se la frequenza del laser è giusta, gli elettroni che orbitano attorno a ciascun atomo saranno eccitati a un’orbita più alta e più energetica. Poiché solo una piccola gamma di frequenze laser motiva gli elettroni a muoversi, la misurazione di questa frequenza fornisce una misurazione del tempo estremamente precisa. È come un orologio a pendolo quantistico, dove il ticchettio proviene dalle oscillazioni della luce laser piuttosto che dall’oscillazione di un pendolo.



strontium atomic clock

L’orologio atomico nel laboratorio di Jun Ye presenta un raggio laser blu che eccita una nuvola di atomi di stronzio all’interno della finestra rotonda. – GE Marti/JILA

I ricercatori hanno diviso il loro orologio in due: hanno guardato la loro nuvola su una fotocamera, quindi hanno disegnato due scatole immaginarie attorno alla metà superiore e inferiore. Hanno quindi confrontato la frequenza di ticchettio delle metà superiore e inferiore, scoprendo che il tempo vissuto dagli atomi nella parte superiore della nuvola è dello 0,000000000000000001% più breve del tempo vissuto da quelli nella parte inferiore.

Il modo specifico in cui hanno misurato lo spostamento, confrontando due parti della stessa nuvola, ha permesso loro di eliminare molto rumore che era comune a entrambe le parti. È come misurare una barca a vela in mare agitato. Anche se oscilla su e giù in modo imprevedibile, la distanza tra la chiglia e l’albero rimarrà sempre costante. Mentre un orologio fatto di una nuvola di atomi può andare alla deriva a causa di un numero qualsiasi di cose – campi elettrici, campi magnetici, la luce laser stessa, calore dall’ambiente – la differenza di frequenza tra la parte superiore e quella inferiore della nuvola rimane la stessa. Misurare quella differenza ha rivelato l’effetto della gravità. “Non è banale da fare“, ha detto Andrew Ludlow, un esperto di orologi atomici presso il National Institute of Standards and Technology, che non è stato coinvolto nella ricerca.

Secondo il preprint, questa dimostrazione è un passo avanti verso lo studio dell’unione della relatività generale e della meccanica quantistica (gli autori hanno rifiutato di essere intervistati fino a quando il documento non sarà pubblicato in una rivista peer-reviewed).

La relatività descrive uno spazio-tempo in cui gli oggetti hanno proprietà ben definite e si muovono in modo prevedibile da un luogo all’altro. Nella teoria quantistica, al contrario, un oggetto può trovarsi in una “sovrapposizione” di molte proprietà contemporaneamente, oppure può saltare improvvisamente in una posizione particolare. Queste due descrizioni corrispondono bene ai rispettivi regni della realtà, ma sono incongrue se prese insieme.

Quindi cosa succede quando sia la meccanica quantistica che la relatività sono necessarie per descrivere un fenomeno?

Prendiamo il caso in cui un oggetto massiccio viene messo in una sovrapposizione di due possibili posizioni contemporaneamente. La relatività generale dice che qualsiasi oggetto con massa dovrebbe piegare il tessuto dello spazio-tempo. Ma cosa succede se quell’oggetto è in una sovrapposizione? Anche la geometria dello spazio-tempo è in sovrapposizione?

Per studiare tali questioni, i fisici sono sempre alla ricerca di sistemi in cui sia la gravità che la meccanica quantistica sono importanti. “Gli orologi sono sicuramente uno dei sistemi più promettenti per testare questo tipo di caratteristiche“, ha affermato Flaminia Giacomini, fisica teorica presso il Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada. Gli orologi sono naturalmente a cavallo del confine tra la meccanica quantistica e la relatività. Misurano il tempo, che è un concetto intrinsecamente relativistico. Sono anche fondamentalmente quantistici: il modo in cui gli elettroni si muovono da un livello energetico a un altro è passando attraverso una sovrapposizione di essere in entrambi i livelli.

Se il team di Ye migliorerà la sensibilità del proprio orologio di circa un altro fattore di 10 – tra qualche anno, all’attuale tasso di miglioramento – potrà iniziare a cercare gli effetti gravitazionali nel comportamento dei loro atomi. Le prime firme di ciò apparirebbero in un processo chiamato decoerenza.

La decoerenza è responsabile della transizione dallo strano mondo della meccanica quantistica al mondo ordinario dell’esperienza quotidiana. Ogni volta che l’ambiente interagisce con un sistema quantistico, può essere visto come una piccola misurazione effettuata sul sistema, un modo per l’ambiente di apprendere qualcosa sul sistema quantistico e distruggere la sua “quantità”. I fisici sono diventati molto bravi a proteggere i loro esperimenti quantistici da qualsiasi cosa nell’ambiente possa disturbarli. Ma non possono proteggerli dalla gravità.

Mentre gli atomi nell’orologio di Ye si muovono su e giù nella nuvola, sperimentando una variazione nel flusso del tempo, la gravità altererà il modo in cui interagiscono tra loro e causerà un cambiamento osservabile nelle loro dinamiche. Non sarà ancora la gravità quantistica di per sé, dove la gravità è quantizzata in particelle fondamentali chiamate gravitoni. Ma sarebbe un prezioso esempio di meccanica quantistica e gravità che si intrecciano per causare un nuovo fenomeno.

Qualunque cosa possa aiutarci a capire quale tipo di comportamento ha la gravità quando entrambi gli effetti quantistici e gravitazionali giocano un ruolo, penso che sarà molto, molto utile per la ricerca futura“, ha detto Giacomini.

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