Un nuovo esperimento metterà alla prova l’idea che la gravità, una delle forze fondamentali nel mondo fisico, si basa sulla fisica quantistica per funzionare.
Una nanoparticella intrappolata nel vuoto al Wright Lab. Credito immagine: Tom Penny
Se così fosse, ciò indicherebbe ulteriormente la centralità di meccanica quantistica nell’universo e iniziano a spiegare le basi precedentemente sconosciute di un fenomeno naturale così onnipresente che la maggior parte delle persone ne dà per scontata l’esistenza.
Quello di Yale David Moore, professore associato di fisica presso la Facoltà di Lettere e Scienze, fa parte di un gruppo di ricerca internazionale che effettuerà un esperimento, chiamato “Macroscopic Superpositions Towards Witnessing the Quantum Nature of Gravity” o MAST-QG. IL progetto quinquennale, finanziato dalla Gordon and Betty Moore Foundation e dalla Alfred P. Sloan Foundation, mira a gettare le basi per l’esperimento.
MAST-QG tenterà di collegare due descrizioni fondamentali dell’universo. La relatività generale, che è la teoria di Einstein secondo cui la gravità è creata da oggetti dotati di massa che curvano o deformano lo spazio attorno a loro, è notoriamente incompatibile con la meccanica quantistica, che esplora lo strano comportamento di atomi e particelle.
Misurare le deboli interazioni gravitazionali tra le particelle quantomeccaniche era precedentemente impossibile a causa delle loro piccole masse.
Moore, un membro di Yale Laboratorio Wright, lavorerà con ricercatori dell’University College di Londra, dell’Università di Warwick in Inghilterra, della Northwestern University e dell’Università di Groningen nei Paesi Bassi, per sviluppare l’esperimento. Il ricercatore principale è Gavin Morley dell’Università di Warwick.
Recentemente abbiamo incontrato Moore per discutere dell’esperimento e di come potrebbe funzionare.
Ti sorprende che non sappiamo già se la gravità è un fenomeno quantistico?
David Moore: La gravità è questa forza che sembra la forza più evidente nella nostra vita quotidiana, ma è un completo mistero. È imbarazzante dirlo, davvero. Nonostante la studiamo da centinaia di anni, non comprendiamo affatto la gravità a livello microscopico in alcun dettaglio.
Abbiamo questa bellissima teoria su come funziona la gravità nelle distanze astrofisiche, grazie alla teoria della relatività di Einstein. Ma sappiamo anche che non funziona quando applichiamo la stessa teoria alla meccanica quantistica e alle particelle che compongono l’universo. Perché? Per molti di noi nel campo della fisica, questa è semplicemente una domanda entusiasmante a cui provare a rispondere.
Sappiamo come la meccanica quantistica influenza altre forze fondamentali, come l’elettromagnetismo e la forza nucleare “forte”?
Moore: Sì, abbiamo imparato moltissimo su tutte le altre forze fondamentali, tutte tranne la gravità, quella che conosciamo da più tempo. È l’unica forza che non rientra nella nostra immagine quantistica del mondo.
Cosa rende la gravità diversa a questo riguardo?
Moore: La gravità è incredibilmente debole rispetto a tutte le altre forze fondamentali. Ad esempio, la forza di attrazione tra l’elettrone e il protone nell’atomo di idrogeno, dovuta alla loro carica elettrica, è quasi 40 ordini di grandezza – 10mila trilioni di trilioni di trilioni di volte – più forte della gravità. Le altre tre forze fondamentali che governano l’universo – l’elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli – sono tutte molto più vicine nella loro forza intrinseca. La debolezza della gravità è di per sé un grosso enigma, ma rende anche gli esperimenti estremamente impegnativi.
L’unico motivo che conosciamo nulla riguardo alla gravità è perché abbiamo un intero pianeta che attira la gravità su di noi. Gli atomi nelle nostre scarpe bastano da soli a reggere il confronto con l’intero pianeta. È piuttosto impressionante.
Ma non siamo mai stati in grado di mettere i grandi oggetti, quegli oggetti che possiamo vedere nel mondo visibile, in uno stato quantistico e di osservare il comportamento della gravità su quella piccola scala. Quindi questa è proprio l’idea del nostro esperimento. Metteremo alcuni degli oggetti più grandi mai visti in uno stato quantistico e tenteremo di osservarne la gravità.
Cosa sono quegli oggetti?
Moore: Si chiamano microdiamanti. Nei diamanti c’è un’impurità molto speciale, delle dimensioni di un atomo, chiamata “centro vacante di azoto”, in cui uno degli atomi del diamante manca e un atomo di azoto si trova accanto a questo posto vacante. Questo strano tipo di impurità agisce come un sistema quantistico quasi perfetto, che possiamo incorporare in un cristallo di diamante che è un cinquantesimo della larghezza di un capello.
Vogliamo prendere i microdiamanti e intrappolarli in un laser che li farà levitare al centro di una camera a vuoto. Abbiamo una tecnologia che può “parlare” con la parte quantistica del diamante e usarla come una maniglia per manipolare l’intera massa del diamante per vedere gli effetti della gravità.
Qual è il ruolo di Yale nel progetto?
Moore: Abbiamo trappole per queste microparticelle qui a Yale, al Wright Lab. Di solito li usiamo per il vetro, non per i diamanti. Il nostro laboratorio ha effettuato la ricerca più accurata al mondo per individuare particelle di materia oscura che potrebbero avere una minuscola carica elettrica: un milionesimo della carica di un elettrone. Possiamo controllare il numero esatto di elettroni e protoni in una sfera contenuta all’interno della trappola. Questo è esattamente il tipo di cose che vogliamo fare con questo esperimento sulla gravità.
Cosa potrebbe impedirti di ottenere una misurazione quantistica della gravità?
Moore: Dobbiamo eliminare tutte le interazioni diverse dalla gravità. La gravità è così debole che se hai anche un solo elettrone in più su questo diamante, oltre alla forza gravitazionale, non avrai mai alcuna possibilità di vedere l’entanglement gravitazionale. Stiamo lavorando duramente non solo per realizzare questi minuscoli sistemi quantistici, ma anche per tenere lontane tutte le altre forze.
C’è un aspetto di questa ricerca che ti ha coinvolto a livello personale?
Moore: In realtà si tratta solo di cercare di capire come funziona il mondo. È come chiedere a un artista perché fa arte. Molti di noi sono semplicemente molto interessati a conoscere gli elementi fondamentali dell’universo. Come lavorano insieme? È una domanda abbastanza importante che, se potessimo imparare qualcosa nel corso della mia vita, sarebbe entusiasmante per molti di noi.
Fonte: Università di Yale
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
