La prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali, un fenomeno previsto dalla teoria della relatività generale di Einstein del 1915, è stato segnalato dagli scienziati nel 2016.

Armati di questa "scoperta del secolo", i fisici di tutto il mondo hanno progettato nuovi e migliori rivelatori di onde gravitazionali.

Il professore di fisica Chunnong Zhao e i suoi recenti studenti di dottorato Haixing Miao e Yiqiu Ma sono membri di un team internazionale che ha creato un nuovo design particolarmente interessante per i rilevatori di onde gravitazionali.

Il nuovo design è un vero passo avanti perché può misurare segnali al di sotto di un limite che in precedenza era ritenuto una barriera insormontabile. I fisici chiamano questo limite il limite quantistico standard. È fissato dal principio di indeterminazione quantistica.

Il nuovo disegno, pubblicato in Natura rivista questa settimana, mostra che questo potrebbe non essere più un ostacolo.

L'utilizzo di questo e di altri nuovi approcci potrebbe consentire agli scienziati di monitorare le collisioni di buchi neri e i "terremoti spaziali" in tutto l'universo visibile.

Come funzionano i rilevatori di onde gravitazionali

Le onde gravitazionali non sono vibrazioni che viaggiano nello spazio, ma piuttosto vibrazioni dello spazio stesso. Ci hanno già parlato di una popolazione inaspettatamente grande di buchi neri. Speriamo che ulteriori studi sulle onde gravitazionali ci aiutino a comprendere meglio il nostro universo.

Ma è probabile che le tecnologie dei rivelatori di onde gravitazionali abbiano un enorme significato al di là di questo aspetto della scienza, perché di per sé ci insegnano a misurare quantità di energia incredibilmente piccole.

I rilevatori di onde gravitazionali utilizzano la luce laser per rilevare minuscole vibrazioni dello spazio create quando i buchi neri si scontrano. Le collisioni creano vaste esplosioni gravitazionali. Sono le più grandi esplosioni conosciute nell'universo, convertire la massa direttamente in vibrazioni dello spazio puro.

Ci vogliono enormi quantità di energia per piegare e ondeggiare lo spazio. I nostri rilevatori - dispositivi squisitamente perfetti che utilizzano grandi specchi pesanti con laser spaventosamente potenti - devono misurare lo spazio che si estende di un semplice miliardesimo di miliardesimo di metro sulla scala di quattro chilometri dei nostri rilevatori. Queste misurazioni rappresentano già la più piccola quantità di energia mai misurata.

Ma per gli astronomi delle onde gravitazionali questo non è abbastanza. Hanno bisogno di una sensibilità ancora maggiore per poter sentire molti più "suoni" gravitazionali previsti. compreso il suono del momento in cui l'universo è stato creato nel big bang.

È qui che entra in gioco il nuovo design.

Un'idea spettrale di Einstein

Il nuovo concetto si basa sul lavoro originale di Albert Einstein.

Nel 1935 Albert Einstein e i suoi collaboratori Boris Podolsky e Nathan Rosen tentarono di deporre la teoria della meccanica quantistica dimostrando che essa prevedeva correlazioni assurde tra particelle molto distanziate.

Einstein dimostrò che se la teoria quantistica era corretta, quindi coppie di oggetti molto distanziati potrebbero rimanere impigliati come due mosche impigliate in una tela di ragno. Stranamente, l'intreccio non è diminuito, per quanto distanti tu abbia permesso agli oggetti di muoversi.

Einstein definì l'entanglement "azione spettrale a distanza". Era sicuro che la sua scoperta avrebbe eliminato una volta per tutte la teoria della meccanica quantistica, ma questo non doveva essere.

Dagli anni '80 i fisici hanno dimostrato più volte che l'entanglement quantistico è reale. Per quanto lo odiasse, La previsione di Einstein era giusta e con suo disappunto, la teoria quantistica era corretta. Le cose a distanza potrebbero essere impigliate.

Oggi i fisici si sono abituati alla "spettralità", e la teoria dell'entanglement è stata imbrigliata per l'invio di codici segreti che non possono essere intercettati.

Intorno al mondo, organizzazioni come Google e IBM e laboratori accademici stanno cercando di creare computer quantistici che dipendono dall'entanglement.

E ora Zhao e colleghi vogliono usare il concetto di entanglement per creare il nuovo design del rivelatore di onde gravitazionali.

Un nuovo modo di misurare le onde gravitazionali

L'aspetto entusiasmante del nuovo design del rivelatore è che in realtà è solo un nuovo modo di far funzionare i rivelatori esistenti. Usa semplicemente il rilevatore due volte.

Una volta, i fotoni nel rivelatore sono alterati dall'onda gravitazionale in modo da captare le onde. La seconda volta, il rivelatore viene utilizzato per modificare l'entanglement quantistico in modo tale che il rumore dovuto all'incertezza quantistica non venga rilevato.

L'unica cosa che viene rilevata è il movimento degli specchi distanti causato dall'onda gravitazionale. Il rumore quantistico del principio di indeterminazione non compare nella misurazione.

Per farlo funzionare, devi iniziare con fotoni entangled creati da un dispositivo chiamato spremiagrumi quantistico. Questa tecnologia è stata sperimentata per l'astronomia delle onde gravitazionali presso l'Australian National University, ed è ormai una tecnica consolidata.

Come molte delle migliori idee, la nuova idea è molto semplice, ma uno che ha richiesto un'intuizione enorme per riconoscerlo. Inietti una minuscola quantità di luce spremuta da uno spremiagrumi quantico, e usalo due volte!

I fisici di tutto il mondo si stanno preparando per testare la nuova teoria e trovare il modo migliore per implementarla nei loro rivelatori. Uno di questi è il rilevatore di onde gravitazionali GEO ad Hannover in Germania, che è stato un banco di prova per molte delle nuove tecnologie che hanno permesso la scoperta epocale delle onde gravitazionali lo scorso anno.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.