Quando si tratta di un matrimonio con la teoria quantistica, la gravità è l'unica resistenza tra le quattro forze fondamentali in natura. Gli altri tre:la forza elettromagnetica, la forza debole, responsabile del decadimento radioattivo, e la forza forte, che lega insieme neutroni e protoni all'interno del nucleo atomico, si sono tutti fusi con la teoria quantistica per descrivere con successo l'universo sulla più piccola delle scale, dove le leggi della meccanica quantistica devono svolgere un ruolo di primo piano.

Sebbene la teoria della relatività generale di Einstein, che descrive la gravità come una curvatura dello spazio-tempo, spiega una moltitudine di fenomeni gravitazionali, fallisce nel più piccolo dei volumi:il centro di un buco nero o l'universo alla sua nascita esplosiva, quando era di dimensioni inferiori a un diametro atomico. È qui che la meccanica quantistica dovrebbe dominare.

Eppure negli ultimi otto decenni, esperto dopo esperto, compreso Einstein, non sono stati in grado di unire la teoria quantistica con la gravità. Così, la gravità è davvero una forza quantistica?

I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno ora proposto un esperimento che potrebbe aiutare a risolvere la questione.

L'esperimento sfrutta due delle proprietà più strane della teoria quantistica. Uno è il principio di sovrapposizione, che sostiene che una particella atomica indisturbata può essere descritta come un'onda, con qualche probabilità di trovarsi in due posti contemporaneamente. Ad esempio, un atomo indisturbato che viaggia attraverso una regione con due fenditure, passa attraverso non l'una o l'altra delle fenditure ma entrambe.

E poiché l'atomo è descritto da un'onda, la parte che passa attraverso una fessura interferirà con la parte che passa attraverso l'altra, producendo un modello ben noto di frange luminose e scure. Le frange luminose corrispondono alle regioni in cui le colline e le valli delle due onde si allineano in modo da sommarsi, creando interferenza costruttiva e le regioni oscure corrispondono a regioni dove le colline e le valli delle onde si annullano, creando interferenze distruttive.

La seconda strana proprietà quantistica è nota come entanglement, un fenomeno in cui due particelle possono essere così fortemente correlate da comportarsi come una singola entità. Misurare una proprietà di una delle particelle forza automaticamente l'altra ad avere una proprietà complementare, anche se le due particelle risiedono a distanza di galassie.

In una teoria quantistica della gravità, l'attrazione gravitazionale tra due oggetti massicci sarebbe comunicata da un'ipotetica particella subatomica, il gravitone, allo stesso modo in cui l'interazione elettromagnetica tra due particelle cariche è comunicata da un fotone (la particella fondamentale della luce). Così, se un gravitone esiste davvero, dovrebbe essere in grado di connettersi, o impigliarsi, le proprietà di due corpi massicci, proprio come un fotone può intrappolare le proprietà di due particelle cariche

L'esperimento proposto da Jake Taylor del Joint Quantum Institute del NIST presso l'Università del Maryland, insieme a Daniel Carney, ora al Lawrence Berkeley National Laboratory, e Holger Müller dell'Università della California, Berkeley, fornisce un modo intelligente per verificare se due corpi massicci possono davvero rimanere impigliati per gravità. Hanno descritto il loro lavoro in un articolo pubblicato online su Physical Review X Quantum il 18 agosto, 2021.

L'esperimento userebbe una nuvola fredda di atomi, intrappolato all'interno di un interferometro atomico. L'interferometro ha due bracci, uno sinistro e uno destro. Secondo il principio di sovrapposizione, se ogni atomo nella nuvola è puro, stato quantico indisturbato, può essere descritto come un'onda che occupa simultaneamente entrambe le braccia. Quando le due porzioni dell'onda, uno per ogni braccio, ricombinare, produrranno uno schema di interferenza che rivela eventuali cambiamenti ai loro percorsi dovuti a forze come la gravità.

Un piccolo, una massa inizialmente stazionaria sospesa come un pendolo viene introdotta appena fuori dall'interferometro. La massa sospesa e l'atomo sono attratti gravitazionalmente. Se quel rimorchiatore gravitazionale produce anche entanglement, come sarebbe?

La massa sospesa sarà correlata con una posizione specifica per l'atomo:il braccio destro dell'interferometro o il sinistro. Di conseguenza, la massa inizierà a oscillare a sinistra oa destra. Se l'atomo si trova a sinistra, il pendolo inizierà a oscillare verso sinistra; se l'atomo si trova a destra, il pendolo inizierà a oscillare verso destra. La gravità ha impigliato la posizione dell'atomo nell'interferometro con la direzione in cui il pendolo inizia a oscillare.

L'entanglement di posizione significa che il pendolo ha effettivamente misurato la posizione dell'atomo, individuandolo in un particolare sito all'interno dell'interferometro. Poiché l'atomo non è più in una sovrapposizione di essere in entrambe le braccia allo stesso tempo, il modello di interferenza svanisce o diminuisce.

Mezzo periodo dopo, quando la massa oscillante ritorna al punto di partenza, perde tutta la "memoria" dell'entanglement gravitazionale che aveva creato. Questo perché, indipendentemente dal percorso che ha preso il pendolo, oscillando inizialmente verso destra, che individua una posizione per l'atomo nel braccio destro dell'interferometro, o inizialmente oscillando a sinistra, che individua una posizione per l'atomo nel braccio sinistro, ritorna alla stessa posizione di partenza, proprio come un bambino su un'altalena.

E quando torna alla posizione di partenza, è altrettanto probabile che il pendolo scelga una posizione per l'atomo nel braccio sinistro o destro. Al momento, l'entanglement tra la massa e l'atomo è stato cancellato e lo schema di interferenza atomica riappare.

Mezzo periodo dopo, mentre il pendolo oscilla da una parte o dall'altra, l'entanglement viene ristabilito e il modello di interferenza diminuisce ancora una volta. Mentre il pendolo oscilla avanti e indietro, lo schema si ripete:interferenza, diminuita interferenza, interferenza. Questo crollo e la rinascita dell'interferenza, dicono gli scienziati sarebbe una "pistola fumante" per l'entanglement.

"È difficile per qualsiasi fenomeno diverso dall'entanglement gravitazionale produrre un tale ciclo, " disse Carney.

Sebbene l'esperimento ideale possa essere a un decennio o più dalla costruzione, una versione preliminare potrebbe essere pronta in pochi anni. Una varietà di scorciatoie potrebbe essere sfruttata per rendere le cose più facili da osservare, ha detto Taylor. La più grande scorciatoia è abbracciare il presupposto, simile alla teoria della relatività generale di Einstein, che non importa quando inizi l'esperimento:dovresti sempre ottenere lo stesso risultato.

Taylor ha osservato che le fonti non gravitazionali di entanglement quantistico devono essere considerate, che richiederà un'attenta progettazione e misurazioni per precludere.