&proiettile; Fisica 17, 65
L’esperimento proposto potrebbe avvicinare gli scienziati alla risposta all’annosa domanda se la gravità sia un fenomeno classico o quantistico.
La gravità può essere la più conosciuta delle quattro forze fondamentali, ma è anche la più debole di tutte. Questa debolezza ha impedito ai ricercatori di esplorare le proprietà intrinseche della gravità e, in particolare, di determinare se la forza è di natura classica o quantistica. Una definizione del genere è stata cercata a lungo perché potrebbe aiutare i fisici a conciliare la teoria della gravità con le descrizioni quantistiche di altre forze fondamentali. Questo obiettivo potrebbe ora essere un passo più vicino grazie a una strategia sperimentale radicalmente nuova ideata da Ludovico Lami dell’Università di Amsterdam e dai suoi colleghi. [1].
Gli esperimenti proposti in precedenza per testare la “quantità” di gravità si sono concentrati sull’entanglement, un effetto puramente quantistico in cui le proprietà degli oggetti sono correlate in modo non classico. In questi esperimenti, due oggetti pesanti ampiamente separati sono stati posti in stati quantistici altamente delocalizzati, il che significa che le loro funzioni d’onda erano distribuite su una vasta area dello spazio. I teorici prevedono che se la gravità è intrinsecamente quantistica, allora la reciproca attrazione gravitazionale tra due oggetti potrebbe far sì che essi rimangano intrappolati (vedi Sommario: Test del lato quantistico della gravità). “Il problema principale con queste proposte precedenti è che creare stati altamente eccentrici per oggetti pesanti è molto difficile”, afferma Lammy, il ricercatore principale del nuovo lavoro. Inoltre, i grovigli sono molto fragili e possono essere difficili da individuare.
La strategia proposta da Lammy e colleghi evita questi problemi; Perché non richiede la produzione di stati quantistici altamente non locali, o la generazione e il rilevamento dell’entanglement. Come esempio concreto del loro approccio, i ricercatori hanno considerato un esperimento che coinvolge due pendoli rotanti, che sono oggetti rigidi sospesi da un filo che ruota avanti e indietro mentre i fili si attorcigliano. Questi oggetti hanno la forma di un manubrio e ciascuna punta pesa meno di un grammo e forma metà una cavità ottica, mentre l'altra metà è uno specchio fisso. Quando i pendoli vibrano, cambiano la dimensione, e quindi la lunghezza d'onda di risonanza, di ciascuna cavità. Questo cambiamento può essere rilevato puntando la luce laser nelle cavità e quindi misurando l'intensità dello schema di interferenza risultante.
I due pendoli sono accoppiati attraverso la loro reciproca attrazione posizionandoli uno vicino all'altro in modo che le loro direzioni equilibrate siano parallele. Per garantire che la gravità sia la forza dominante tra i pendoli, al centro è posizionato uno schermo per sopprimere qualsiasi potenziale interazione elettromagnetica e ottica. Inoltre, la distanza tra i pendoli è scelta con cura in modo che la loro gravità sia sempre molto più forte della forza di Casimir tra loro e lo scudo.
Utilizzando l'accoppiamento con la cavità ottica, i pendoli vengono prima spinti nel loro stato fondamentale, dove sono a riposo, e poi posti in stati coerenti selezionati casualmente, dove oscillano con un'ampiezza ben definita. Vengono poi lasciati sviluppare sotto gravità per un determinato periodo di tempo. Si calcolano gli stati attesi dei pendoli allo scadere di quel tempo, assumendo che l'interazione gravitazionale sia di natura quantistica. Viene quindi data una piccola spinta che riporterà gli stati calcolati agli stati fondamentali dei pendoli. Infine, dopo aver applicato questa spinta, il pendolo viene controllato per vedere se è effettivamente nel suo stato fondamentale. Questa procedura viene ripetuta più volte e la probabilità di trovare i pendoli nel loro stato fondamentale viene determinata seguendo questi passaggi. Se questa probabilità supera il limite superiore calcolato per la gravità classica, ciò indica che la gravità non è classica.
Per calcolare questo limite superiore, Lamy afferma che il suo team “ha introdotto e perfezionato alcuni pesanti macchinari matematici dalla teoria dell’informazione quantistica” e, in particolare, “ha utilizzato strumenti dalla teoria dell’elaborazione dell’entanglement”. Il presupposto principale alla base di questi calcoli – che è alla base anche dei precedenti protocolli basati sull’entanglement – è che per la gravitazione classica, le interazioni gravitazionali tra oggetti quantistici possono essere descritte da una serie di processi quantistici locali con l’aiuto della comunicazione classica. Questa ipotesi è però oggetto di accesi dibattiti. Un altro potenziale problema con la nuova proposta è che l’esperimento richiede lunghi tempi di coerenza, pendoli deformabili che perdono poca energia mentre oscillano e un ambiente estremamente freddo. Tuttavia, i ricercatori sperano che il loro lavoro apra una nuova strada sperimentale nello studio dell’interazione tra gravità e fisica quantistica.
Andrea Marie e Davide Vitale, due fisici quantistici dell'Università di Camerino in Italia, ritengono che l'approccio proposto sia un'alternativa promettente ai protocolli più tradizionali basati sull'entanglement, ed è possibile in linea di principio con la tecnologia attuale o nel prossimo futuro. Sottolineano che saranno gli empiristi a decidere alla fine quale schema sarà migliore e più appropriato.
-Ryan Wilkinson
Ryan Wilkinson è un redattore corrispondente per Giornale di fisica Con sede a Durham, Regno Unito.
Riferimenti
- L.Lami et al.“Prova il quanto di gravità senza grovigli.” Fis. Rev. X 14021022 (2024).
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