Un nuovo studio ha suggerito un metodo sperimentale per testare gli aspetti quantistici della gravità senza la necessità di intrappolare oggetti massicci, facendo potenzialmente avanzare il campo in modo significativo.
L’entanglement al centro della gravità quantistica
La gravità fa parte della nostra vita quotidiana. Tuttavia, la forza gravitazionale rimane misteriosa: ancora oggi non capiamo se la sua natura ultima sia geometrica, come prevedeva Einstein, o governata dalle leggi della meccanica quantistica. Fino ad ora, tutte le proposte sperimentali per rispondere a questa domanda si sono basate sulla creazione del fenomeno quantistico dell’entanglement tra masse pesanti e macroscopiche.
Ma più un oggetto è pesante, più tende a perdere le sue caratteristiche quantistiche e a diventare “classico”, rendendo incredibilmente difficile far sì che una massa pesante si comporti come una particella quantistica. In uno studio pubblicato su Physical Review X, ricercatori di Amsterdam e Ulm hanno proposto un esperimento che aggira questi problemi.
Combinare con successo la meccanica quantistica e la fisica gravitazionale è una delle principali sfide della scienza moderna. In generale, il progresso in quest’area è ostacolato dal fatto che non possiamo ancora eseguire esperimenti in regimi in cui sono rilevanti sia gli effetti quantistici che quelli gravitazionali.
A un livello più fondamentale, come disse una volta il premio Nobel Roger Penrose, non sappiamo nemmeno se una teoria combinata della gravità e della meccanica quantistica richiederà una “quantizzazione della gravità” o una “gravitazione della meccanica quantistica”.
In altre parole: essa è fondamentalmente una forza quantistica, le cui proprietà sono determinate alla scala più piccola possibile, o è una forza “classica” per la quale è sufficiente una descrizione geometrica su larga scala? O è ancora qualcosa di diverso?
La ricerca della natura quantistica della stessa sembra trovare un punto focale nel fenomeno dell’entanglement. Come ha sottolineato Ludovico Lami, fisico matematico dell’Università di Amsterdam e QuSoft.
Egli ha dichiarato: “La domanda fondamentale, posta da Richard Feynman nel 1957, è se il campo gravitazionale di un oggetto massivo possa entrare in una sovrapposizione quantistica, esistendo in più stati contemporaneamente. Fino ad ora, l’idea principale per indagare questa questione sperimentalmente era quella di cercare l’entanglement indotto gravitazionalmente, ovvero un modo in cui masse distanti ma correlate possano condividere informazioni quantistiche. L’esistenza di tale entanglement smentirebbe l’ipotesi che il campo gravitazionale sia puramente locale e classico”.
Gravità quantistica: un nuovo esperimento senza entanglement
Il problema principale con le proposte precedenti è che oggetti massicci distanti ma correlati – noti come stati delocalizzati – sono molto difficili da creare. L’oggetto più pesante per il quale è stata osservata la delocalizzazione quantistica fino ad oggi è una grande molecola, molto più leggera della massa sorgente più piccola di cui è stato rilevato il campo gravitazionale, che è appena inferiore a 100 mg – più di un miliardo di miliardi di volte più pesante. Questo ha allontanato decenni di speranze di una realizzazione sperimentale.
Nel nuovo lavoro, Lami e i suoi colleghi di Amsterdam e Ulm – curiosamente, il luogo in cui è nato Einstein – hanno presentato una possibile via d’uscita da questa situazione di stallo. Essi hanno proposto un esperimento che rivelerebbe la quanticità della gravità senza generare alcun entanglement.
Lami ha spiegato: “Abbiamo progettato e studiato una classe di esperimenti che impiegano un sistema di ‘oscillatori armonici’ massivi, come una pendola di torsione simile a quella utilizzata da Cavendish nel suo celebre esperimento del 1797 per misurare la forza gravitazionale. Attraverso un’analisi teorica rigorosa, abbiamo stabilito dei limiti ben definiti per alcuni segnali sperimentali che emergerebbero se la gravità fosse quantistica, caratteristiche che la fisica classica locale non sarebbe in grado di replicare”.
Ed ha aggiunto: “Abbiamo inoltre condotto un’attenta valutazione dei requisiti sperimentali necessari per tradurre la nostra proposta in esperimenti concreti, concludendo che, sebbene sia ancora necessario un certo progresso tecnologico, la realizzazione di tali esperimenti è realisticamente fattibile nel prossimo futuro”.
Entanglement: un’ombra persistente
Un aspetto sorprendente è emerso dall’analisi dell’esperimento proposto: sebbene l’entanglement non sia fisicamente realizzato nell’esperimento, la sua influenza rimane cruciale. Come è possibile?
Lami ha sottolineato: “La ragione è che, sebbene l’entanglement non sia fisicamente presente, rimane presente nello spirito – in un preciso senso matematico. È sufficiente che si sia potuto generare un intreccio”.
I ricercatori sperano che il loro articolo sia solo l’inizio e che la loro proposta aiuterà a progettare esperimenti che possano rispondere alla domanda fondamentale sulla gravità quantistica molto prima del previsto.
Se gli esperimenti si dovessero rivelare un successo, le implicazioni per la nostra comprensione dell’universo saranno profonde e rivoluzionarie, con potenziali ricadute su campi scientifici ben oltre la fisica della gravità.
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