La pallina d'oro utilizzata nel confronto delle dimensioni con una moneta da 1 centesimo. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, ogni massa piega lo spazio-tempo. Credito:© Tobias Westphal / Arkitek Scientific
Ricercatori dell'Università di Vienna e dell'Accademia austriaca delle scienze, guidati da Markus Aspelmeyer sono riusciti a misurare il campo gravitazionale di una sfera d'oro, solo 2 mm di diametro, usando un pendolo altamente sensibile, e quindi la più piccola forza gravitazionale. L'esperimento apre nuove possibilità per testare le leggi di gravità su piccole scale precedentemente non raggiunte. I risultati sono pubblicati sulla rivista Natura .
La gravità è la più debole di tutte le forze conosciute in natura, eppure è più fortemente presente nella nostra vita quotidiana. Ogni palla che lanciamo, ogni moneta che facciamo cadere, tutti gli oggetti sono attratti dalla gravità terrestre. Nel vuoto, tutti gli oggetti vicino alla superficie terrestre cadono con la stessa accelerazione:la loro velocità aumenta di circa 9,8 m/s ogni secondo. La forza di gravità è determinata dalla massa della Terra e dalla distanza dal centro. Sulla Luna, che è circa 80 volte più leggero e quasi 4 volte più piccolo della Terra, tutti gli oggetti cadono 6 volte più lentamente. E su un pianeta delle dimensioni di una coccinella? Gli oggetti cadrebbero 30 miliardi di volte più lentamente che sulla Terra. Forze gravitazionali di questa grandezza normalmente si verificano solo nelle regioni più lontane delle galassie per intrappolare stelle remote.
Un team di fisici quantistici guidati da Markus Aspelmeyer e Tobias Westphal dell'Università di Vienna e dell'Accademia austriaca delle scienze ha ora dimostrato per la prima volta queste forze in laboratorio. Fare così, i ricercatori hanno attinto a un famoso esperimento condotto da Henry Cavendish alla fine del XVIII secolo.
Al tempo di Isaac Newton, si credeva che la gravità fosse riservata agli oggetti astronomici come i pianeti. Non è stato fino al lavoro di Cavendish (e di Nevil Maskelyne prima di lui) che è stato possibile dimostrare che anche gli oggetti sulla Terra generano la propria gravità. Utilizzando un elegante dispositivo a pendolo, Cavendish riuscì a misurare la forza gravitazionale generata da una palla di piombo alta 30 cm e del peso di 160 kg nel 1797. Un cosiddetto pendolo di torsione - due masse alle estremità di un'asta sospese a un filo sottile e libere di ruotare - viene deviato in modo misurabile dalla forza gravitazionale della massa di piombo. Nei secoli a venire, questi esperimenti sono stati ulteriormente perfezionati per misurare le forze gravitazionali con una precisione crescente.
La gravità viene misurata tra due masse d'oro (raggio di 1 mm ciascuna) che vengono avvicinate l'una all'altra. Credito: Tobias Westphal, Università di Vienna
Il team di Vienna ha raccolto questa idea e ha costruito una versione in miniatura dell'esperimento Cavendish. Una sfera d'oro di 2 mm del peso di 90 mg funge da massa gravitazionale. Il pendolo di torsione è costituito da una bacchetta di vetro lunga 4 cm e spessa mezzo millimetro, sospeso da una fibra di vetro di pochi millesimi di millimetro di diametro. Sfere d'oro di dimensioni simili sono attaccate a ciascuna estremità dell'asta. "Spostiamo la sfera d'oro avanti e indietro, creando un campo gravitazionale che cambia nel tempo, " spiega Jeremias Pfaff, uno dei ricercatori coinvolti nell'esperimento. "Questo fa sì che il pendolo di torsione oscilli a quella particolare frequenza di eccitazione".
Il movimento, che è solo pochi milionesimi di millimetro, può quindi essere letto con l'aiuto di un laser e consente di trarre conclusioni sulla forza. La difficoltà è mantenere le altre influenze sul movimento il più ridotte possibile. "Il più grande effetto non gravitazionale nel nostro esperimento deriva dalle vibrazioni sismiche generate dai pedoni e dal traffico di tram intorno al nostro laboratorio di Vienna, ", afferma il coautore Hans Hepach:"Abbiamo quindi ottenuto i migliori dati di misurazione di notte e durante le vacanze di Natale, quando c'era poco traffico." Altri effetti come le forze elettrostatiche potrebbero essere ridotti a livelli ben al di sotto della forza gravitazionale da uno scudo conduttivo tra le masse d'oro.
Ciò ha permesso di determinare per la prima volta il campo gravitazionale di un oggetto che ha all'incirca la massa di una coccinella. Come passo successivo, si prevede di studiare la gravità di masse migliaia di volte più leggere.
La possibilità di misurare campi gravitazionali di piccole masse ea piccole distanze apre nuove prospettive per la ricerca in fisica gravitazionale; tracce di materia oscura o energia oscura potrebbero essere trovate nel comportamento della gravità, che potrebbe essere responsabile della formazione del nostro universo attuale. I ricercatori di Aspelmeyer sono particolarmente interessati all'interfaccia con la fisica quantistica:la massa può essere ridotta abbastanza da consentire agli effetti quantistici di svolgere un ruolo? Solo il tempo lo dirà. Per adesso, prevale ancora il fascino della teoria della gravità di Einstein. "Secondo Einstein, la forza gravitazionale è una conseguenza del fatto che le masse piegano lo spaziotempo in cui si muovono altre masse, ", afferma il primo autore Tobias Westphal. "Quindi ciò che stiamo effettivamente misurando qui è come una coccinella deforma lo spazio-tempo".
