Gli scienziati del Fermilab hanno condotto esperimenti per cercare le fluttuazioni quantistiche dello spazio e del tempo alla scala più piccola immaginabile secondo la fisica nota. A questo limite, la lunghezza di Planck, le nostre nozioni classiche di spazio e tempo crollano.

Immagina il rapporto tra le dimensioni dell'universo rispetto a un granello di polvere. Si tratta di quanto è grande il granello di polvere rispetto alla lunghezza di Planck, 10 ^-33 centimetri. Il tempo di Planck è quanto tempo impiega la luce per percorrere quella distanza.

La meccanica quantistica ci dice che tutto è costantemente fluttuante su piccole scale, ma i tremori dello spazio e del tempo su scala di Planck sono così piccoli che non sono mai stati misurati in laboratorio. Una migliore comprensione del movimento alla scala di Planck può aiutare i fisici a rispondere a una domanda fondamentale e importante:perché le cose sembrano accadere in tempi e luoghi definiti?

Questa proprietà spazio-temporale, a volte chiamato semplicemente "località, " è davvero piuttosto elementare. Si suppone che luoghi e tempi definiti siano ciò di cui è fatto lo spazio-tempo, il tessuto stesso della realtà.

È stato a lungo pensato che la scala di Planck fosse troppo piccola per essere studiata in qualsiasi esperimento, ma circa 10 anni fa abbiamo deciso di provarlo lo stesso. È possibile che le incertezze quantistiche dello spazio-tempo su scala di Planck si sommino nel tempo impiegato dalla luce per attraversare un esperimento, così un effetto incredibilmente piccolo diventa semplicemente molto difficile, piuttosto che impossibile, da rilevare. Così, abbiamo costruito un apparato chiamato Fermilab Holometer per cercare fluttuazioni molto piccole in luoghi molto separati.

Materia quantistica e spazio-tempo:due sistemi-mondo che condividono un'unica realtà inspiegabile

Un sistema quantistico è qualsiasi cosa fatta di materia ed energia, e nulla in esso accade in un luogo e in un tempo definiti finché non viene misurato. Lo spazio-tempo sembra essere esattamente l'opposto:tutto accade localmente in un luogo definito, ma le sue proprietà possono essere misurate solo non localmente, questo è, confrontando ciò che accade in luoghi diversi.

In qualche modo, questi due diversi sistemi di mondi - materia quantistica e spazio-tempo - condividono e interagiscono nello stesso mondo fisico reale. Lo spazio assoluto locale influenza direttamente la materia, come chiunque può vedere girando una trottola o sperimentando le vertigini su una giostra. Perché la materia è la fonte della gravità, ovviamente influenza lo spazio e il tempo. Onde gravitazionali, che sono fatti di puro spazio-tempo, trasportare energia e informazioni, anche attraverso lo spazio "vuoto", e la materia può trasformarsi in puro spazio-tempo, sotto forma di buchi neri. Ma nessuno capisce esattamente come le cose quantistiche siano collegate allo spazio e al tempo.

Il motivo per cui è facile dimenticare lo spazio-tempo quantistico nella vita di tutti i giorni, e anche nella maggior parte degli esperimenti del Fermilab, è che non influisce su nulla che effettivamente misuriamo. Sebbene ci debba essere una certa incertezza quantistica nello spazio-tempo stesso, diventa fatale per la teoria standard solo al di sotto della lunghezza in cui le singole particelle quantistiche formano i buchi neri. Questa è la scala minuscola che chiamiamo lunghezza di Planck.

Il successo dell'olometro nel non misurare nulla

In modo modesto, scala 40 metri, l'olometro assomiglia a rivelatori giganti, come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory di Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, che vengono utilizzati per rilevare le onde gravitazionali da oggetti distanti. Come LIGO, utilizza specchi e luce (interferometri laser) per misurare l'agitazione dello spazio e del tempo. Nell'olometro, la luce laser e gli specchi, presi insieme come un sistema, diventare un oggetto quantistico non locale lungo 40 metri in una direzione e 40 metri nell'altra. Creano un segnale di uscita che dipende dalle differenze quantistiche nelle posizioni dello specchio. Possiamo misurare fluttuazioni da cambiamenti casuali di posizione relativa di una sola lunghezza di Planck ogni tempo di Planck se sono correlate coerentemente sulla scala dell'apparato.

Abbiamo pubblicato i risultati del nostro primo esperimento diversi anni fa. In un certo senso l'esperimento è stato un grande successo, poiché non siamo riusciti a misurare nulla con una precisione senza precedenti:con alcuni tipi di jitter della scala di Planck, avremmo visto un grande effetto. Ma non abbiamo trovato un tale scuotimento. Era tranquillo.

Però, quell'esperimento non escludeva tutti i tipi di movimento fluttuante nello spazio-tempo. Per esempio, perché le braccia dei suoi interferometri erano dritte, la luce laser non sarebbe influenzata se l'apparato si scuotesse con un movimento puramente rotatorio:gli specchi si muoverebbero lateralmente rispetto al raggio invece che lungo di esso.

Alla ricerca di colpi di scena della scala di Planck nello spazio-tempo

In relatività generale, la materia rotante trascina con sé lo spazio-tempo. In presenza di una massa rotante, il telaio non rotante locale, misurato da un giroscopio, ruota rispetto all'universo lontano, misurata da stelle lontane. Potrebbe benissimo essere che lo spazio-tempo quantistico abbia un'incertezza della scala di Planck del frame locale, che porterebbe a fluttuazioni rotazionali casuali o colpi di scena che non avremmo rilevato nel nostro primo esperimento, e troppo piccolo per essere rilevato in un normale giroscopio.

Così, abbiamo fatto un nuovo esperimento. Abbiamo ricostruito l'apparato in una nuova forma. Abbiamo aggiunto specchi extra per dirigere parte della luce laser in direzioni diverse, quindi il segnale risponderebbe a tremori o torsioni rotazionali coerenti.

Il nuovo strumento è un giroscopio incredibilmente sensibile per durate molto brevi, in grado di rilevare torsioni rotazionali molto piccoli nella frazione di microsecondo impiegata dalla luce per attraversarlo. Possiamo rilevare lo scuotimento che cambia direzione casualmente un milione di volte al secondo, ma che sposta i lati opposti dell'apparato solo di un miliardesimo di miliardesimo di metro, una velocità molto più lenta della deriva dei continenti. Nel nostro apparato, che corrisponde a torsioni fluttuanti casualmente di circa una lunghezza di Planck ogni volta di Planck.

Di recente abbiamo completato il nostro esperimento finale con questo olometro riconfigurato. Il nostro risultato finale è di nuovo niente nervosismo, che può essere interpretato come nessun colpo di scena alla scala di Planck, di un certo tipo, nel tessuto dello spazio-tempo. Sembra che lo spazio-tempo alla scala di Planck sia davvero molto silenzioso.

La ragione per continuare a cercare questi effetti è che potremmo non capire mai come funziona lo spazio-tempo quantistico senza alcune misurazioni per guidare la teoria. Il programma Holometer è esplorativo. Il nostro esperimento è iniziato con solo teorie approssimative per guidarne la progettazione, e non abbiamo ancora un modo univoco per interpretare i nostri risultati nulli, poiché non esiste una teoria rigorosa di ciò che stiamo cercando. I nervosismi sono solo un po' più piccoli di quanto pensavamo potessero essere, o hanno una simmetria che crea uno schema nello spazio che non abbiamo misurato? La nuova tecnologia consentirà esperimenti futuri migliori dei nostri e forse ci darà alcuni indizi su come lo spazio e il tempo emergono da un sistema quantistico più profondo.

Abbiamo recentemente pubblicato un articolo sui nostri risultati in arXiv.