Cosa succede quando la gravità entra nel mondo dei più piccoli

La gravità è la forza più banale e, allo stesso tempo, più misteriosa della natura. Fa sì che la luna ruoti attorno alla terra e le mele cadano sulla terra. Le leggi della gravitazione furono precedentemente descritte da Newton e ampliate (e perfezionate) da Einstein. Ma a differenza di altre forze naturali, non è chiaro come si comporti la gravità su scala più piccola. Per capirlo meglio, nei prossimi anni i fisici vogliono esaminare la gravità tra piccoli oggetti.

Ad esempio, la forza gravitazionale esercitata da due palline d'oro del peso di appena 90 milligrammi l'una sull'altra è stata misurata a Vienna nel 2021. Si tratta dell'effetto gravitazionale più piccolo mai misurato. L'esperimento ha dimostrato che le sfere di due millimetri obbedivano esattamente alle leggi di gravità di Einstein e Newton. Ma è solo l'inizio. I fisici stanno lavorando su esperimenti più espansivi.

La gravità continuerà a comportarsi rigorosamente secondo le leggi di Einstein e Newton o acquisirà un carattere quantomeccanico ed è necessaria una nuova teoria per descrivere questa gravità quantistica?

Chiaramente c'è qualcosa di speciale con la gravità. Delle quattro forze conosciute della natura, la gravità è la più debole. Puoi facilmente dimostrare che la forza elettromagnetica è più forte facendo levitare il tuo set di chiavi con i magneti. Il fatto che funzioni significa che la forza di un piccolo magnete è maggiore della gravità dell’intera Terra. Le altre due forze nucleari operano solo a livello degli atomi, ma sono almeno un quadrilione di volte più forti della gravità.

Due teorie

Tuttavia, la gravità gioca il ruolo principale su larga scala dell’universo. Assicura l'attrazione tra stelle, pianeti e altri corpi celesti. Tra la mela e la terra. Questo perché gli oggetti di grandi dimensioni contengono quasi sempre la stessa quantità di cariche positive e negative, quindi non esercitano alcuna forza elettromagnetica netta l'uno sull'altro, mentre l'attrazione di tutte le particelle aumenta.

La gravità è l'unica forza che ha una propria teoria. La teoria della relatività generale di Albert Einstein descrive la gravità come la curvatura dello spazio – o addirittura dello spazio e del tempo – sotto l'influenza della materia o dell'energia, che secondo l'equazione di Einstein E=mc² Intercambiabile. Le altre tre forze non sono proprietà dello spazio-tempo. Esistono nello spazio-tempo e sono descritti dalla meccanica quantistica, che si occupa del comportamento delle piccole particelle.

Sia la meccanica quantistica che la relatività generale hanno molto successo e sono state ampiamente dimostrate. Ma quando i fisici cercano di unificarli, incontrano dei problemi. Allora la matematica si blocca e dà risposte che non hanno significato e non hanno alcuna relazione con la realtà.

Di solito questo non è un problema. La gravità prevale su larga scala e la meccanica quantistica su piccola scala. Di conseguenza, raramente interferiscono tra loro. Tuttavia, i fisici mettono in dubbio il matrimonio tra i due. Ci sono situazioni in cui entrambi svolgono un ruolo essenziale, come subito dopo il Big Bang e nel caso dei buchi neri. Ciò comporta enormi quantità di materiale compresso in un piccolo spazio. Allora la meccanica quantistica e la gravità sono costrette a dialogare tra loro. Per comprendere queste situazioni, i fisici hanno bisogno di una nuova teoria che combini gravità e meccanica quantistica.

Non puoi semplicemente simulare un buco nero in un laboratorio

La stragrande maggioranza dei fisici che lavorano in questo campo cercano una descrizione quantitativa della gravità. Ciò significa che lo spazio-tempo su scala più piccola è costituito da elementi costitutivi che si comportano secondo le leggi della meccanica quantistica. Lo spaziotempo come lo sperimentiamo e la gravità deriveranno dal comportamento di questi elementi costitutivi quantistici. Esistono numerosi candidati per questa gravità quantistica, come la teoria delle stringhe, che prevede che la materia e lo spaziotempo derivino da minuscole stringhe vibranti.

Per determinare quale teoria sia sulla strada giusta, sono necessari esperimenti che rivelino la possibile natura quantistica della gravità. Questo non è facile. Non puoi semplicemente simulare un buco nero in un laboratorio. “Per questo sono necessarie energie molto più elevate di quelle che possono essere ottenute con gli attuali acceleratori di particelle”, afferma Tjerk Oosterkamp, ​​professore di fisica sperimentale all'Università di Leiden.

Ecco perché i fisici lo affrontano in modo diverso. Hanno sviluppato esperimenti che ingrandiscono la regione sconosciuta dove la grande scala governata dalla gravità si sposta verso la piccola scala che è il dominio della meccanica quantistica. Da qualche parte in quella regione, la gravità e la meccanica quantistica potrebbero incontrarsi. I fisici sperano di poter catturare la gravità lì e, ad esempio, interferire con gli effetti quantistici o dimostrare il comportamento quantistico.

Punto bianco

“Questa zona è ancora un punto bianco sulla mappa”, dice Osterkamp. “Cerchiamo di colorarlo misurando la gravità in oggetti più piccoli e osservando le proprietà quantistiche in oggetti sempre più grandi”.

Una di queste proprietà quantistiche è la sovrapposizione, dove una particella quantistica si trova in due o più posti contemporaneamente. I fisici sono ora abili nel sovrapporre elettroni, atomi e molecole in modo controllato. Negli ultimi 10 anni, questo è talvolta diventato possibile anche con oggetti più grandi, come una pelle di tamburo quantistico di pochi micrometri. Ma queste sovrapposizioni quantistiche sono fragili e possono facilmente scomparire a causa di disturbi, come le vibrazioni. Allora la particella non si trova più in due posti contemporaneamente, ma semplicemente in un posto.

Gruppi di ricerca, come quello di Osterkamp e quello di Vienna, stanno cercando di riempire il vuoto dall'altra parte misurando effetti gravitazionali sempre più piccoli. Dopo aver stabilito il record a Vienna con palline d'oro di due millimetri di diametro, il gruppo di ricerca di Leida sta cercando di misurare la forza di gravità tra particelle di dimensioni di un millimetro, fino ad arrivare a 100 micrometri, dice Osterkamp.

Lo fanno facendo levitare un magnete in un frigorifero ad alta tecnologia a -273 gradi Celsius. La bassa temperatura garantisce il minor disturbo possibile. Sotto il magnete galleggiante, hanno fatto ruotare una ruota alla quale erano fissati tre blocchi. Ogni volta che una massa si trova in alto, la sua gravità spinge leggermente il magnete verso il basso, afferma Denis Uyttenbrock, dottorando a Leida. Quando la massa scompare, il magnete riappare. Misurando quel movimento, possono determinare la forza di gravità tra la massa e il magnete. “I primi esperimenti riusciti sono stati blocchi da 2,4 kg su una ruota posizionati fuori da un frigorifero”, afferma Ottenbrock. “Ora vogliamo grumi di pochi milligrammi su una ruota più piccola che venga messa in frigorifero.”

L'obiettivo finale è combinare le misurazioni della gravità con le misurazioni della sovrapposizione in un esperimento che misura l'effetto della gravità su un oggetto in una sovrapposizione quantistica. Se la gravità influenza questo stato quantistico, ad esempio con la scomparsa della sovrapposizione, ciò suggerisce che la gravità abbia proprietà simili a quelle quantistiche. Ci vorranno sicuramente decenni prima che le misurazioni della gravità diventino sufficientemente sensibili e gli oggetti quantistici siano sufficientemente grandi.

Diamanti intrecciati

Esistono altri modi per cercare prove sulla gravità quantistica negli esperimenti. Ad esempio, Anupam Mazumdar, professore di fisica all’Università di Groningen, sta lavorando con un gruppo internazionale di colleghi a un promettente esperimento basato sull’entanglement quantistico, un altro effetto quantistico. Se due particelle quantistiche sono intrecciate, hanno un legame speciale, il che significa che le misurazioni sulle particelle non sono più indipendenti l’una dall’altra. Funziona così: se Alice e Bob sono quantitativamente intrecciati e ciascuno lancia una moneta e Alice vede che esce testa, sa immediatamente che Bob ha lanciato croce, senza guardare la sua moneta. Ciò vale anche per il contrario.

Il progetto dell'esperimento di Mazumdar è costituito da due diamanti, ciascuno delle dimensioni di un miliardesimo di milligrammo. Per entrambi c'è un posto speciale nel reticolo del diamante, chiamato centro NV. Questo può essere imposto. I centri NV dei due diamanti possono intrecciarsi. Nell'esperimento, i diamanti sono stati posizionati con centri NV a una distanza di circa 50-60 μm. Se la gravità avesse proprietà quantistiche, potrebbe intrappolare i centri NV nel diamante. Se misuri la presenza di entanglement, questa è una forte indicazione della gravità quantistica.

“La gravità non è l'unico modo in cui può verificarsi l'entanglement”, afferma Mazumdar. Ciò può verificarsi anche sotto l'influenza della forza elettromagnetica, derivante da una carica elettrica presente nell'ambiente. “La cosa bella è che abbiamo modi per bloccare quelle forze elettromagnetiche mentre non possiamo fermare la gravità, quindi se la gravità fosse veramente quantistica, le due masse inevitabilmente rimarrebbero intrecciate.

Pertanto l’esperimento può dimostrare in modo convincente che la gravità è una forza quantistica. Tuttavia, questo è anche qualcosa del futuro in questo momento. Mazumdar: “È un'esperienza da maratona; Ci vorranno almeno 20-25 anni per costruire l’esperimento. “Siamo ora nelle fasi iniziali.”

Quindi ci vorranno alcuni decenni prima che gli esperimenti possano misurare gli effetti della gravità quantistica. Osterkamp non pensa che potrà sperimentarlo prima del ritiro. Tuttavia è entusiasta degli sviluppi. “Penso che sia fantastico che centinaia di ricercatori stiano ora lavorando su esperimenti al confine tra meccanica quantistica e gravità. Vent'anni fa, erano ancora visti come esperimenti mentali filosofici. Essere coinvolti in questo significa aver finito la tua carriera nel campo della fisica. Era qualcosa su cui, dopo il pensionamento, quindici anni fa, abbiamo nascosto il fatto che ci stavamo lavorando quando abbiamo scritto le proposte di progetto. Gli esperimenti ora sembrano possibili e possiamo ammetterlo senza perdere i finanziamenti per la ricerca.

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