Una nuova prova della natura quantistica della gravità

I nostri modelli fisici descrivono bene il mondo, anzi troppo bene. Perché una cosa è certa: le teorie attuali non sono corrette. Per una formula del mondo che descriva i fenomeni sia alla scala più piccola che a quella più grande, le quattro forze fondamentali conosciute dovrebbero essere unificate. Finora, questo obiettivo è stato raggiunto per tre di esse: le forze elettromagnetiche, deboli e nucleari forti hanno ricevuto un quadro unificato dalle teorie di campo quantistiche, che descrivono in modo eccellente il mondo subatomico. Tuttavia, la gravità è finora sfuggita a questo formalismo. Una delle domande più pressanti della fisica fondamentale è quindi se la gravità, come le altre forze fondamentali, abbia un nucleo fisico quantistico - o se sia fondamentalmente diversa da tutte le altre forze.

Da diversi anni i fisici lavorano a esperimenti per rispondere a questa domanda. L'idea più comune per un esperimento di questo tipo è quella di collegare due oggetti massicci utilizzando un effetto di meccanica quantistica: creare il cosiddetto "entanglement" tra le masse. Tuttavia, si tratta di un'impresa titanica. Tali stati correlati sono molto sensibili; inoltre, la gravità è la più debole delle quattro forze fondamentali, motivo per cui sarebbe necessaria una grande precisione per un esperimento del genere. Finora la realizzazione sembrava fuori portata. Ora un team guidato dal fisico Ludovico Lami dell'Università di Amsterdam ha presentato un'idea sperimentale che potrebbe mettere alla prova la natura quantistica della gravità in un modo completamente nuovo.

Come spiegano i ricercatori nel loro articolo pubblicato nel maggio 2024 sulla rivista "Physical Review X", un esperimento del genere non richiederebbe l'entanglement tra due masse. Invece, descrivono una configurazione con due oggetti a forma di manubrio che pesano meno di un grammo. I due manubri sono sospesi parallelamente l'uno all'altro in modo che possano oscillare liberamente. La distanza tra i due oggetti è scelta in modo che sentano l'attrazione gravitazionale reciproca, ma la forza di Casimir non entra in gioco. La schermatura tra i due oggetti serve anche a evitare che forze elettromagnetiche o di altro tipo influenzino l'esperimento.

Un pendolo con due manubri

Lami e il suo team hanno studiato come oscillano gli oggetti a forma di manubrio se la gravità ha davvero una natura quantistica. Come hanno scoperto i ricercatori, il movimento dei manubri può essere fermato da una forza minima. Ciò significa che basterebbe osservare le oscillazioni delle piccole masse: Se gli oggetti rimangono fermi dopo l'applicazione della forza esercitata, la gravità ha un nucleo fisico quantistico. Tuttavia, una misurazione di questo tipo è estremamente difficile da realizzare: Le minime vibrazioni nell'ambiente falsificherebbero l'esperimento.

Per questo motivo, i ricercatori propongono di ripetere l'esperimento con estrema frequenza e di utilizzare dei laser diretti verso gli oggetti a forma di manubrio per rilevare anche i più piccoli spostamenti. Se la frequenza con cui gli oggetti risultano fermi al termine della procedura supera un certo valore soglia, gli esperti scrivono che si può ipotizzare una gravità quantizzata. Per calcolare questa soglia, hanno dovuto "introdurre e perfezionare complicate tecniche matematiche della teoria dell'informazione quantistica", ha dichiarato Lami all'American Physical Society.

L'esperimento descritto è finora solo un costrutto teorico. Anche se le tecnologie necessarie sono già disponibili, la realizzazione dell'esperimento potrebbe porre problemi pratici inaspettati. Quale sarà la configurazione sperimentale che permetterà di scoprire la vera natura della gravità sarà decisa in laboratorio, e non su un foglio di carta.

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