Una delle sfide fondamentali della fisica è la riconciliazione tra la teoria della relatività di Einstein e la meccanica quantistica. Nasce la necessità di mettere in discussione criticamente questi due pilastri della fisica moderna, Per esempio, da eventi ad altissima energia nel cosmo, che finora può essere spiegato solo da una teoria alla volta, ma non entrambe le teorie in armonia. I ricercatori di tutto il mondo sono quindi alla ricerca di deviazioni dalle leggi della meccanica quantistica e della relatività che potrebbero aprire nuove prospettive in un nuovo campo della fisica.

Per una recente pubblicazione, scienziati dell'Università Leibniz di Hannover e dell'Università di Ulm hanno affrontato il doppio paradosso noto dalla teoria della relatività ristretta di Einstein. Questo esperimento mentale ruota attorno a una coppia di gemelli:mentre un fratello viaggia nello spazio, l'altro rimane sulla Terra. Di conseguenza, per un certo periodo di tempo, i gemelli si muovono su orbite diverse nello spazio. Il risultato quando la coppia si incontra di nuovo è piuttosto sorprendente:il gemello che ha viaggiato nello spazio è invecchiato molto meno di suo fratello che è rimasto a casa. Questo fenomeno è spiegato dalla descrizione di Einstein della dilatazione del tempo:a seconda della velocità e del punto in cui nel campo gravitazionale due orologi si muovono l'uno rispetto all'altro, ticchettano a velocità diverse.

Per la pubblicazione in Progressi scientifici , gli autori hanno ipotizzato una variante quantomeccanica del paradosso dei gemelli con un solo gemello. Grazie al principio di sovrapposizione della meccanica quantistica, questo gemello può percorrere due percorsi contemporaneamente. Nell'esperimento mentale dei ricercatori, il gemello è rappresentato da un orologio atomico. "Tali orologi utilizzano le proprietà quantistiche degli atomi per misurare il tempo con elevata precisione. L'orologio atomico stesso è quindi un oggetto quantomeccanico e può muoversi nello spazio-tempo su due percorsi contemporaneamente grazie al principio di sovrapposizione. Insieme ai colleghi di Hannover, abbiamo studiato come questa situazione può essere realizzata in un esperimento, " spiega il dottor Enno Giese, assistente di ricerca presso l'Istituto di fisica quantistica di Ulm. A tal fine, i ricercatori hanno sviluppato una configurazione sperimentale per questo scenario sulla base di un modello quanto-fisico.

Una fontana atomica alta 10 metri, che è attualmente in costruzione presso l'Università Leibniz di Hannover, gioca un ruolo essenziale in questo sforzo. In questo interferometro atomico e con l'uso di oggetti quantistici come l'orologio atomico, i ricercatori possono testare gli effetti relativistici, inclusa la dilatazione temporale descritta nel paradosso dei gemelli. "In un esperimento, manderemmo un orologio atomico nell'interferometro. La domanda cruciale è quindi:in quali condizioni può essere misurata una differenza di tempo dopo l'esperimento, durante il quale l'orologio è contemporaneamente su due orbite, dopotutto, " spiega Sina Loriani dell'Istituto di ottica quantistica dell'Università Leibniz di Hannover.

Il lavoro preliminare teorico dei fisici di Ulm e Hannover è molto promettente:come descritto, hanno sviluppato un modello quanto-fisico per l'interferometro atomico, quali fattori nell'interazione tra laser e atomi, nonché il movimento degli atomi, tenendo anche conto delle correzioni relativistiche. "Con l'aiuto di questo modello, possiamo descrivere un orologio atomico "ticchettio" che si muove simultaneamente lungo due percorsi in una sovrapposizione spaziale. Inoltre, dimostriamo che un interferometro atomico, come quello in costruzione ad Hannover, può misurare l'effetto della dilatazione del tempo relativistica speciale su un orologio atomico, "ricapitola Alexander Friedrich, un ricercatore di dottorato presso l'Istituto di fisica quantistica di Ulm. Sulla base delle loro considerazioni teoriche, i ricercatori possono già ipotizzare che un singolo orologio atomico si comporti come previsto nel paradosso dei gemelli:la teoria della relatività e la meccanica quantistica sono quindi effettivamente conciliabili in questo scenario. L'influenza della gravità assunta da altri gruppi, però, non sembra riscontrabile in una proposta sperimentale di questo tipo.

L'esperimento teoricamente descritto dovrebbe essere messo alla prova nel nuovo interferometro atomico di Hannover tra qualche anno. In pratica, le scoperte degli scienziati potrebbero aiutare a migliorare le applicazioni basate su interferometri atomici come la navigazione, o misure di accelerazione e rotazione.