AGI – Un team internazionale, che include il fisico premio Nobel Roger Penrose, ha osservato per la prima volta un effetto a lungo previsto della gravità su un oggetto quantistico in caduta. Il risultato dimostra che un principio fondamentale alla base della teoria della gravità di Einstein rimane coerente con il comportamento della materia nel mondo quantistico. Lo studio, condotto dall’Università Ben-Gurion del Negev, dall’Università di Ulm e dall’Università di Oxford, è stato pubblicato su Science Advances.
Per oltre un secolo, i fisici si sono affidati a due descrizioni della natura di straordinario successo. La meccanica quantistica spiega lo strano comportamento degli atomi e di altri oggetti minuscoli. La teoria della gravitazione universale di Einstein spiega come gli oggetti cadono e come la gravità modella l’Universo. Eppure, i fisici non hanno ancora compreso appieno come le due teorie si integrino tra loro. Ora, un team internazionale ha condotto un esperimento che indaga il punto in cui questi due aspetti si incontrano.
Un cambiamento distintivo nelle proprietà quantistiche
Nello studio, i ricercatori hanno osservato un cambiamento distintivo nelle proprietà quantistiche degli atomi quando questi cadono sotto l’effetto della gravità. Fondamentalmente, l’effetto misurato è lo stesso previsto quando il principio di equivalenza di Einstein, un pilastro della sua teoria della gravità, viene applicato a un oggetto quantistico. Il principio di equivalenza afferma che per un osservatore in caduta libera, la gravità dovrebbe annullarsi localmente. Una persona che cade liberamente in un ascensore, ad esempio, sperimenterebbe l’assenza di peso. Sebbene questa teoria abbia superato test straordinariamente precisi condotti su materia ordinaria, non era chiaro come potesse essere verificata sperimentalmente con oggetti quantistici, che possono comportarsi come onde e viaggiare effettivamente lungo più di un percorso.
L’Interferometro quantistico di Galileo
Il fulcro dell’esperimento è un nuovo apparato che i ricercatori chiamano Interferometro Quantistico di Galileo. Questo ha permesso loro di fare qualcosa di insolito: dividere efficacemente l’onda quantistica associata a un atomo in due percorsi, mantenerne uno in posizione mentre l’altro cade liberamente, e poi riunirli per vedere come la gravità aveva modificato l’onda in caduta. L’esperimento è stato condotto presso l’Università Ben-Gurion utilizzando nuvole di atomi di rubidio raffreddati a temperature di poco superiori allo zero assoluto e manipolati in prossimità della superficie di un chip atomico appositamente progettato.
La sovrapposizione quantistica degli atomi
Il team sperimentale, di cui faceva parte anche il dottorando Or Dobkowski, ha utilizzato inizialmente impulsi a microonde per portare gli atomi ultrafreddi in una sovrapposizione quantistica, consentendo di fatto a ciascun atomo di percorrere due traiettorie diverse contemporaneamente. Successivamente, hanno utilizzato dei minuscoli fili elettrici sul chip per generare campi magnetici controllati con precisione. Una parte dell’onda atomica ha risposto a questo campo magnetico, permettendo ai ricercatori di applicare una forza verso l’alto che contrastava esattamente l’attrazione gravitazionale verso il basso. In pratica, questa parte è stata mantenuta stazionaria rispetto al laboratorio e alla Terra.
L’altra parte è stata spinta verso l’alto con un impulso magnetico controllato con precisione, quindi è passata in uno stato pressoché insensibile al campo magnetico in modo da poter cadere liberamente per gravità, seguendo una traiettoria balistica, simile a quella di una palla lanciata in aria.
L’interferenza e la misurazione della fase quantistica
Al termine della caduta, i ricercatori hanno utilizzato un altro impulso magnetico controllato con precisione per riunire le due parti. Quando le due onde si sono riunite, hanno interferito l’una con l’altra. Tale interferenza ha permesso ai ricercatori di misurare la minuscola differenza di fase quantistica accumulata mentre una cadeva e l’altra era tenuta ferma. La fase misurata nel nuovo esperimento è la stessa prevista quando il principio di Einstein viene applicato a tale onda quantistica. Il risultato fornisce quindi una connessione sperimentale tra la fisica quantistica e la teoria della gravità di Einstein. Sebbene esperimenti precedenti abbiano utilizzato particelle quantistiche per misurare la gravità, i ricercatori affermano che questa è la prima misurazione diretta della fase quantistica prevista di un oggetto in caduta libera.
Il commento del professor Ron Folman
Il professor Ron Folman dell’Università Ben-Gurion del Negev, autore principale dello studio, ha dichiarato: “Questo è un articolo unico, in quanto combina un esperimento complesso con un’interpretazione teorica di vasta portata, su una delle questioni più fondamentali della fisica: come si possono unificare la gravità (descritta dalla teoria della relatività di Einstein) e la teoria quantistica in un’unica comprensione dell’universo? Questi due pilastri della fisica moderna hanno finora eluso ogni tentativo di unificare il quadro teorico, ma questo complesso esperimento fornisce ulteriori indizi su come tale unificazione possa essere raggiunta”.
