Un nuovo esperimento ha appena dimostrato la natura quantistica della gravità?
A livello fondamentale, nessuno sa se la gravità sia davvero di natura quantistica. Un nuovo esperimento suggerisce fortemente che lo sia.
Se si dovesse scomporre la materia del nostro Universo fino ai suoi più piccoli e fondamentali costituenti subatomici, si scoprirebbe che tutto è composto da singoli quanti, ognuno dei quali possiede contemporaneamente proprietà di onda e di particella. Se si fa passare una di queste particelle quantistiche attraverso una doppia fenditura e non si osserva quale fenditura attraversa, il quantum si comporterà come un’onda, interferendo con se stesso durante il suo viaggio, lasciandoci solo un insieme probabilistico di risultati per descrivere la sua traiettoria finale. Solo osservandolo possiamo determinare con precisione dove si trova in qualsiasi momento.
Questo comportamento bizzarro e indeterminato è stato accuratamente osservato, studiato e caratterizzato per tre delle nostre forze fondamentali: la forza elettromagnetica e le forze nucleari forte e debole. Tuttavia, non è mai stato testato per la gravitazione, che rimane l’unica forza che ha solo una descrizione classica nella forma della Relatività Generale di Einstein. Sebbene siano stati progettati molti esperimenti intelligenti per cercare di capire se sia necessaria una descrizione quantistica della gravità per spiegare il comportamento di queste particelle fondamentali, nessuno è mai stato eseguito in modo decisivo.
Tuttavia, si è appena scoperto che un fenomeno quantistico a lungo studiato, l’effetto Aharonov-Bohm, si verifica sia per la gravità sia per l’elettromagnetismo. Un risultato molto sottovalutato, che potrebbe essere il primo indizio che la gravità è veramente di natura quantistica.
La questione quantistica
Nel mondo della fisica quantistica, pochi esperimenti dimostrano la natura bizzarra della realtà come l’esperimento della doppia fenditura. Originariamente eseguito con i fotoni più di 200 anni fa, facendo passare la luce attraverso due fenditure sottili e strettamente distanziate non si ottengono due immagini illuminate sullo schermo dietro le fenditure, ma piuttosto un modello di interferenza. La luce che ha attraversato ciascuna delle due fenditure deve interagire prima di raggiungere lo schermo, creando un modello che mostra il comportamento ondulatorio intrinseco della luce.
– In seguito è stato dimostrato che questo stesso schema di interferenza viene generato:
– sia con gli elettroni che con i fotoni,
– per singoli fotoni, anche facendoli passare attraverso le fenditure uno alla volta,
– e per singoli elettroni, sempre facendoli passare attraverso le fenditure uno alla volta.
Finché non si misura quale fenditura attraversano le particelle quantistiche, il comportamento ondulatorio è facilmente osservabile. È una prova della natura controintuitiva, ma molto reale, della meccanica quantistica del sistema: in qualche modo, un singolo quanto è in grado di passare attraverso “due fenditure contemporaneamente”, in un certo senso, dove deve interferire con se stesso.
Eppure, se si misura attraverso quale fenditura passano questi quanti, non si vede alcuno schema di interferenza. Al contrario, si ottengono solo due “grumi” sul lato opposto dello schermo: corrispondenti all’insieme dei quanti che hanno attraversato rispettivamente la fenditura n. 1 e la fenditura n. 2.
Si tratta di un risultato straordinariamente strano, che va al cuore di ciò che rende la fisica quantistica così insolita, eppure così potente. Non si possono semplicemente attribuire quantità definite come una “posizione” e una “quantità di moto” a ciascuna particella, come si farebbe in un trattamento classico, pre-quantistico, di tali quantità. Bisogna invece trattare la posizione e la quantità di moto come operatori meccanici quantistici: funzioni matematiche che “operano” (o agiscono) su una funzione d’onda quantistica.
Quando si “opera” su una funzione d’onda, si ottiene un insieme probabilistico di risultati per ciò che è possibile osservare. Quando si effettua effettivamente l’osservazione chiave – cioè quando si fa interagire il quanto che si sta “osservando” con un altro quanto di cui si rilevano gli effetti – si recupera solo un singolo valore.
Supponiamo di eseguire questo esperimento con gli elettroni, particelle con una carica elettrica fondamentale negativa, e di farli passare attraverso queste fenditure uno alla volta. Se si misura quale fenditura attraversa l’elettrone, è facile descrivere il campo elettrico generato dall’elettrone mentre attraversa quella fenditura. Ma anche se non si effettua questa misura critica – anche se l’elettrone, per così dire, attraversa entrambe le fenditure contemporaneamente – è comunque possibile descrivere il campo elettrico che genera. Il motivo per cui è possibile farlo è che non solo le singole particelle/onde sono di natura quantistica, ma anche i campi fisici che permeano tutto lo spazio sono di natura quantistica: obbediscono alle regole della teoria quantistica dei campi.
Per l’interazione elettromagnetica, così come per le interazioni nucleari forti e deboli, abbiamo verificato e convalidato più volte le previsioni della teoria quantistica dei campi. L’accordo tra le previsioni teoriche e i risultati di esperimenti, misure e osservazioni è spettacolare, in molti casi con una precisione migliore di 1 parte su un miliardo.
Tuttavia, se si pone una domanda del tipo “cosa succede al campo gravitazionale di un elettrone quando attraversa una doppia fenditura”, si è destinati a rimanere delusi. Dal punto di vista teorico, senza una teoria quantistica funzionante della gravità, non possiamo fare una previsione solida, mentre dal punto di vista sperimentale, la rilevazione di un tale effetto va ben oltre le nostre attuali capacità. Al momento non sappiamo se la gravità sia una forza intrinsecamente quantistica o meno, poiché nessun esperimento o osservazione è stato in grado di effettuare una misurazione così critica.
L'effetto Aharonov-Bohm
Ci sono così tanti effetti quantistici sottili che non solo escono dalle nostre equazioni, ma che sono stati verificati fisicamente, che a volte è difficile tenerne traccia. Per esempio, nell’Universo classico, una particella carica in movimento può essere influenzata dalla presenza di campi elettrici e magnetici.
– Il campo elettrico accelera la particella carica lungo la direzione del campo, in modo direttamente proporzionale all’intensità del campo e alla carica della particella, facendola accelerare o rallentare.
– Il campo magnetico accelera la particella carica perpendicolarmente sia al campo magnetico sia alla direzione di movimento della particella, facendola piegare ma non aumentando o diminuendo la sua velocità.
Se i campi elettrici e magnetici sono entrambi pari a zero, l’elettrone non accelera, ma continua a muoversi in modo costante, esattamente come ci si aspetterebbe dalla prima legge di Newton.
Ma nell’Universo quantistico entra in gioco un altro effetto che può cambiare il comportamento della particella quantistica, anche quando i campi elettrici e magnetici sono entrambi nulli: l’effetto Aharonov-Bohm. La chiave per comprenderlo è imparare la relazione tra i campi elettrici e magnetici e un concetto più astratto: il potenziale elettrico e magnetico.
Il potenziale elettrico è più comunemente noto come tensione e sono le variazioni di tensione, da una regione all’altra, a creare campi elettrici e a far fluire le correnti elettriche. Il campo elettrico si può ricavare dal potenziale elettrico semplicemente prendendo il gradiente, che indica come il campo cambia, in senso direzionale, nello spazio.
Il potenziale magnetico è un po’ più complicato, perché non ha un analogo comune come la tensione, ma anche perché il campo magnetico stesso non deriva da un semplice gradiente, ma piuttosto da un’operazione matematica nota come curvatura del potenziale magnetico.
Ora, la cosa si fa interessante: si può avere un potenziale elettrico e/o magnetico non nullo in una regione anche se i campi elettrici e magnetici sono entrambi nulli. Per molto tempo i fisici si sono chiesti se il potenziale fosse effettivamente una cosa fisica, dal momento che sembra che siano i campi, e non i potenziali, a influenzare i moti delle particelle in modo misurabile. Questo è vero nella fisica classica, ma non esclusivamente nella fisica quantistica. In particolare, il potenziale si accoppia alla fase della funzione d’onda di una particella carica, e se si misura la fase di quella particella carica – cosa che si fa tipicamente con gli esperimenti di interferenza – si scopre che dipende dal potenziale elettromagnetico, non solo dai campi elettrici e magnetici.
Il modo in cui di solito si misura l’effetto Aharonov-Bohm consiste nel creare una regione cilindrica dello spazio che contenga un campo magnetico sostanziale ma altamente confinato: qualcosa che è facile creare con una lunga bobina di filo, come un solenoide. Poi si mette in movimento una particella carica attorno a quel campo magnetico, ma con attenzione, in modo che la particella stessa non attraversi la regione contenente il campo. Anche se
– i campi elettrici e magnetici sono trascurabili al di fuori della regione confinata che contiene il campo,
– e la probabilità di trovare la particella all’interno della regione contenente il campo è anch’essa trascurabile,
la funzione d’onda subirà comunque uno spostamento di fase che può essere – ed è stato – osservato sperimentalmente.
Questa potrebbe sembrare una notizia di ieri; dopo tutto, il lavoro originale di Aharonov e Bohm risale al 1959, mentre un precedente articolo di Ehrenberg e Siday prevedeva lo stesso effetto già nel 1949. Tuttavia, lo stesso effetto osservato per il potenziale magnetico dovrebbe essere osservabile per qualsiasi forza che nasce come conseguenza di un potenziale. Questo include non solo la forza elettrica e le altre forze quantistiche conosciute, ma anche la forza gravitazionale. Se si riuscisse a mettere a punto una configurazione sufficientemente intelligente, dovrebbe essere possibile cercare prove di un effetto Aharonov-Bohm gravitazionale.
Che dire della gravità?
Il problema più grande, ogni volta che si vuole sperimentare con la forza gravitazionale, è sempre che gli effetti gravitazionali sono incredibilmente piccoli. Sebbene da molti decenni si progettino esperimenti per rilevare questo effetto, nel 2012 è arrivata un’enorme svolta. Un gruppo di ricercatori guidati da Michael Hohensee ha avuto l’idea di un esperimento che poteva essere realizzato con la tecnologia attuale.
L’idea era che si potessero creare atomi ultrafreddi e controllarne il movimento mediante l’impulso di un raggio laser, anche in una regione in cui il potenziale gravitazionale – ma non il campo – è diverso da altre. Anche nelle regioni in cui la forza gravitazionale è pari a zero, che possono essere organizzate con un’accurata configurazione, il potenziale non nullo potrebbe comunque avere un effetto. Se si riesce a dividere un singolo atomo in due onde di materia, a spostarle in aree con potenziali diversi e poi a riunirle, si può osservare un modello di interferenza, misurando la loro fase e, quindi, quantificando l’effetto gravitazionale Aharonov-Bohm.
È un fenomeno puramente quantistico che ci aspettiamo, ma per la prima volta dipende interamente dalla forza gravitazionale, piuttosto che da qualsiasi altra interazione.
Un decennio dopo, un team guidato da Chris Overstreet ci è riuscito. Come pubblicato nel numero del 13 gennaio 2022 di Science, hanno preso più atomi di rubidio ultrafreddi, li hanno messi in sovrapposizione quantistica tra loro e li hanno costretti a tracciare due percorsi diversi all’interno di una camera a vuoto verticale. La presenza di una massa pesante in cima alla camera – ma assialmente simmetrica e completamente esterna alla camera stessa – ha modificato solo il potenziale gravitazionale degli atomi, con l’atomo che ha raggiunto una traiettoria più alta che ha subito una maggiore variazione di potenziale.
Poi gli atomi vengono riavvicinati e dallo schema di interferenza che si produce emerge uno spostamento di fase. L’entità dello sfasamento misurato dovrebbe corrispondere a:
– quanto i due atomi sono separati l’uno dall’altro,
– quanto si avvicinano ciascuno alla parte superiore della camera,
– e alla presenza o meno della massa esterna che altera il potenziale gravitazionale.
Eseguendo questo esperimento più volte con una varietà di condizioni, il team di Overstreet è stato in grado, per la prima volta, di misurare gli spostamenti di fase di questi atomi e di confrontarli con le previsioni teoriche dell’effetto gravitazionale Aharonov-Bohm. Ebbene, non solo è stato rilevato, ma la corrispondenza è perfetta.
Con queste premesse, arriviamo alla grande domanda: il rilevamento di questo spostamento di fase quantomeccanico, dovuto al potenziale gravitazionale e non al campo gravitazionale o a una qualsiasi delle forze quantistiche conosciute, dimostra la natura intrinsecamente quantistica della gravità?
Purtroppo non al punto da essere una “prova”. Abbiamo creato uno spostamento di fase, abbiamo dimostrato come lo spostamento si accumuli a causa del potenziale gravitazionale e non del campo gravitazionale, e lo abbiamo misurato in accordo con le previsioni teoriche utilizzando l’interferometria atomica. Questo stabilisce per la gravitazione la stessa cosa che era stata stabilita in precedenza per l’elettromagnetismo: una dimostrazione che non è semplicemente la forza o il campo gravitazionale a essere reale, ma che il potenziale gravitazionale stesso ha effetti reali e fisici sulle proprietà quantomeccaniche di un sistema.
Si tratta di un risultato notevole, ma l’analisi potrebbe essere applicata a qualsiasi forza o campo derivabile da un potenziale: sia quantistico che classico. È un trionfo straordinario per la meccanica quantistica sotto l’influenza della gravità, ma non è sufficiente a dimostrare la natura quantistica della gravità stessa. Forse un giorno ci arriveremo, ma nel frattempo la ricerca di una comprensione più profonda della gravitazione stessa continua.
Articolo originale di Ethan Siegel
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