La gravità è un fenomeno quantistico? Questa è stata per decenni una delle grandi questioni in sospeso in fisica. Insieme ai colleghi del Regno Unito, Anupam Mazumdar, un fisico dell'Università di Groningen, proposto un esperimento che potrebbe risolvere il problema. Però, richiede lo studio di due sistemi quantistici entangled molto grandi in caduta libera. In un nuovo documento, che ha come primo autore uno studente del terzo anno di Bachelor, Mazumdar presenta un modo per ridurre il rumore di fondo per rendere questo esperimento più gestibile.

Tre delle quattro forze fondamentali in fisica possono essere descritte in termini di teoria quantistica. Questo non è il caso della quarta forza (gravità), descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein. L'esperimento progettato in precedenza da Mazumdar e dai suoi colleghi potrebbe provare o confutare la natura quantistica della gravità.

sovrapposizione

Una ben nota conseguenza della teoria quantistica è il fenomeno chiamato sovrapposizione quantistica:in certe situazioni, gli stati quantistici possono avere due valori diversi contemporaneamente. Prendi un elettrone che viene irradiato con luce laser. La teoria quantistica dice che può assorbire o non assorbire l'energia del fotone dalla luce. Assorbire l'energia altererebbe lo spin dell'elettrone, un momento magnetico che può essere alto o basso. Il risultato della sovrapposizione quantistica è che lo spin è sia su che giù.

Questi effetti quantistici si verificano in piccoli oggetti, come gli elettroni. Prendendo di mira un elettrone in un diamante in miniatura appositamente costruito, è possibile creare sovrapposizione in un oggetto molto più grande. Il diamante è abbastanza piccolo da sostenere questa sovrapposizione, ma anche abbastanza grande da sentire la forza di gravità. Questa caratteristica è ciò che sfrutta l'esperimento:posizionare due di questi diamanti uno accanto all'altro in caduta libera e, perciò, annullando la gravità esterna. Ciò significa che interagiscono solo attraverso la gravità tra di loro.

Stimolante

Ed è qui che entra in gioco un altro fenomeno quantistico. Entanglement quantistico significa che quando due o più particelle vengono generate in stretta vicinanza, i loro stati quantistici sono collegati. Nel caso dei diamanti, se uno è filato, l'altro, il diamante impigliato dovrebbe essere ruotato verso il basso. Così, l'esperimento è progettato per determinare se l'entanglement quantistico si verifica nella coppia durante la caduta libera, quando la forza di gravità tra i diamanti è l'unico modo in cui interagiscono.

"Però, questo esperimento è molto impegnativo, " spiega Mazumdar. Quando due oggetti sono molto vicini tra loro, è presente un altro possibile meccanismo di interazione, l'effetto Casimiro. Nel vuoto, due oggetti possono attrarsi l'un l'altro attraverso questo effetto. "La dimensione dell'effetto è relativamente grande e per superare il rumore che crea, dovremmo usare diamanti relativamente grandi." Era chiaro fin dall'inizio che questo rumore doveva essere ridotto per rendere l'esperimento più gestibile. Pertanto, Mazumdar voleva sapere se era possibile proteggere l'effetto Casimir.

Confinamento

Ha affidato il problema a Thomas van de Kamp, uno studente di Fisica del terzo anno. "È venuto da me perché era interessato alla gravità quantistica e voleva fare un progetto di ricerca per la sua tesi di laurea, "dice Mazumdar. Durante il lockdown primaverile, quando la maggior parte delle lezioni normali furono sospese, Van de Kamp ha iniziato a lavorare sul problema. "In un tempo straordinariamente breve, ha presentato la sua soluzione, che è descritto nel nostro articolo."

Questa soluzione si basa sul posizionamento di una lastra conduttiva di rame, di circa un millimetro di spessore, tra i due diamanti. La piastra scherma il potenziale di Casimir tra di loro. Senza il piatto, questo potenziale avvicinerebbe i diamanti l'uno all'altro. Ma con il piatto, i diamanti non sono più attratti l'uno dall'altro, ma al piatto tra di loro. Mazumdar:"Questo rimuove l'interazione tra i diamanti attraverso l'effetto Casimir, e quindi rimuove molto rumore dall'esperimento."

Notevole

I calcoli eseguiti da Van de Kamp mostrano che le masse dei due diamanti possono essere ridotte di due ordini di grandezza. "Può sembrare un piccolo passo, ma rende l'esperimento meno impegnativo." Inoltre, anche altri parametri come il livello di vuoto necessario durante l'esperimento diventano meno impegnativi a causa della schermatura dell'effetto Casimir. Mazumdar afferma che un ulteriore aggiornamento sull'esperimento, che include anche un contributo dello studente di Bachelor Thomas van de Kamp, apparirà probabilmente nel prossimo futuro. "Così, il suo progetto di sei mesi gli ha portato la co-autore su due documenti, un'impresa davvero notevole."