Comprendere la gravità quantistica potrebbe aiutare gli scienziati a scoprire alcuni dei misteri più profondi dell'Universo.
Recentemente è emersa una nuova tecnica sperimentale per misurare forze gravitazionali estremamente deboli con notevole precisione. Gli scienziati dietro lo sviluppo credono che un giorno questo nuovo test potrebbe aiutare a rilevare gli effetti quantistici nella gravità – un Santo Graal nella fisica teorica moderna. Comprendendo la gravità quantistica potremmo risolvere alcuni dei misteri del nostro Universo: come è iniziato, cosa succede all'interno dei buchi neri o unire tutte le forze in un'unica grande teoria. È questo hanno spiegato gli scienziati in un comunicato stampa.
Esplorare la gravità quantistica
Sebbene la gravità sia forse una delle forze fondamentali più facilmente osservabili, è rimasta resistente alla "quantizzazione", che è l'incorporazione della teoria quantistica che avviene su scala microscopica. Gli effetti gravitazionali quantistici sono troppo minuscoli per essere osservati o essere rilevanti nella maggior parte delle interazioni di grandi corpi, come stelle e pianeti. Tuttavia, si prevede che diventeranno "visibili" quando la materia raggiungerà densità e temperature intense, ordini di grandezza superiori a qualsiasi cosa possiamo ottenere in laboratorio.
Da allora, il metodo proposto dagli autori dello studio emerge come una strada fondamentale per l'esplorazione sperimentale, portando potenzialmente a una teoria completa della gravità quantistica – un imperativo per svelare i misteri più profondi dell'Universo. Queste condizioni estreme rendono la gravità quantistica molto difficile da studiare sperimentalmente. Le energie delle particelle negli acceleratori sono troppo basse perché gli effetti quantistici gravitazionali si manifestino nelle loro collisioni, e anche le osservazioni astronomiche non hanno ancora fornito alcuna informazione su questi effetti.
Ma nel loro recente studio gli scienziati propongono un esperimento sensibile che consentirà loro di approfondire come piccole deviazioni nel comportamento dei corpi gravitanti potrebbero discostarsi dalle previsioni fatte dalla Teoria della Relatività di Einstein, che descrive la gravità in termini classici. Queste deviazioni dal comportamento classico potrebbero codificare effetti quantistici mai visti prima nelle interazioni gravitazionali.
"Per un secolo, gli scienziati hanno cercato, senza riuscirci, di capire come la gravità e la meccanica quantistica lavorino insieme", ha affermato uno di loro, lo scienziato Tim Fuchs, fisico dell'Università di Leiden. "Ora che abbiamo misurato con successo i segnali gravitazionali alla massa più piccola mai registrata, significa che siamo un passo avanti verso la realizzazione finale di come funziona in tandem".
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Osservare la più piccola attrazione
Nel loro studio gli autori hanno utilizzato una trappola magnetica superconduttrice per studiare la sottile attrazione tra le masse utilizzate per creare una sorta di campo gravitazionale artificiale e una massa di prova utilizzata come sonda. La massa di prova da 0,43 milligrammi è un magnete al neodimio-ferro-boro che levita su un superconduttore fatto di tantalio. Questa mancanza di supporto fisico rende la massa di prova estremamente sensibile a qualsiasi influenza esterna.
Il campo gravitazionale in esame è stato generato da tre masse di 2,45 kg, equidistanti su una ruota, posta a lato del magnete. La rotazione della ruota cambia la loro distanza dalla massa di prova, alterando l'entità dell'attrazione gravitazionale tra di loro. Per sopprimere tutto il rumore meccanico e termico, l'apparato sperimentale è stato sospeso su un sistema a molle multistadio e raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto (-273,15° C).
Nel loro esperimento, il team è stato in grado di misurare uno spostamento minimo della massa di prova, che ha permesso loro di determinare piccoli cambiamenti nell'attrazione gravitazionale tra le masse della sorgente e la massa di prova. Si trattava di un valore dell'ordine di decine di attoNewton, ovvero 18 ordini di grandezza inferiori rispetto all'attrazione gravitazionale della Terra su una massa di 1 kg.
Anche se le misurazioni iniziali non hanno rivelato deviazioni dalla teoria gravitazionale classica, i ricercatori prevedono che riducendo il rumore e la massa della sorgente alla scala della massa di prova, saranno in grado di sondare le variazioni del campo gravitazionale così piccole che gli effetti quantistici sulla gravità diventeranno evidenti. "Da qui inizieremo a ridurre la fonte utilizzando questa tecnica fino a raggiungere il mondo quantistico su entrambi i lati", ha detto Fuchs.
"Stiamo ampliando i confini della scienza che potrebbero portare a nuove scoperte sulla gravità e sul mondo quantistico", ha concluso Hendrik Ulbricht, professore di fisica e coautore dello studio. "La nostra nuova tecnica che utilizza temperature estremamente fredde e dispositivi per isolare le vibrazioni della particella probabilmente dimostrerà la via da seguire per misurare la gravità quantistica", ha continuato. "Svelare questi misteri ci aiuterà a svelare più segreti sulla struttura stessa dell'Universo, dalle particelle più piccole alle più grandi strutture cosmiche."