Poco più di una settimana fa, i fisici europei hanno annunciato di aver misurato la forza di gravità sulla scala più piccola mai vista.
In un intelligente esperimento da tavolo, i ricercatori dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi, dell’Università di Southampton nel Regno Unito e dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie in Italia hanno misurato una forza di circa 30 attonewton su una particella con poco meno di mezzo milligrammo di massa. Un attonewton è un miliardesimo di miliardesimo di newton, l'unità standard di forza.
I ricercatori affermano che il lavoro potrebbe "svelare ulteriori segreti sulla struttura stessa dell'universo" e potrebbe rappresentare un passo importante verso la prossima grande rivoluzione nella fisica.
Ma perché? Non si tratta solo del risultato:è il metodo e ciò che dice sul percorso da seguire per un ramo della scienza che, secondo i critici, potrebbe essere intrappolato in un circolo vizioso di costi in aumento e rendimenti in diminuzione.
Dal punto di vista fisico, la gravità è una forza estremamente debole. Potrebbe sembrare una cosa strana da dire. Non ti senti debole quando cerchi di alzarti dal letto la mattina!
Tuttavia, rispetto alle altre forze che conosciamo, come la forza elettromagnetica che è responsabile di tenere insieme gli atomi e di generare luce, e la forte forza nucleare che lega i nuclei degli atomi, la gravità esercita un’attrazione relativamente debole tra gli oggetti.
E su scale più piccole, gli effetti della gravità diventano sempre più deboli.
È facile vedere gli effetti della gravità per oggetti delle dimensioni di una stella o di un pianeta, ma è molto più difficile rilevare gli effetti gravitazionali per oggetti piccoli e leggeri.
Nonostante la difficoltà, i fisici vogliono davvero testare la gravità su piccola scala. Questo perché potrebbe aiutare a risolvere un mistero secolare della fisica attuale.
La fisica è dominata da due teorie di grande successo.
La prima è la relatività generale, che descrive la gravità e lo spaziotempo su larga scala. Il secondo è la meccanica quantistica, che è una teoria delle particelle e dei campi, gli elementi costitutivi fondamentali della materia, su piccola scala.
Queste due teorie sono in qualche modo contraddittorie, e i fisici non capiscono cosa succede nelle situazioni in cui dovrebbero applicarsi entrambe. Uno degli obiettivi della fisica moderna è combinare la relatività generale e la meccanica quantistica in una teoria della "gravità quantistica".
Un esempio di situazione in cui è necessaria la gravità quantistica è per comprendere appieno i buchi neri. Questi sono previsti dalla relatività generale (e ne abbiamo osservati di enormi nello spazio), ma potrebbero formarsi anche piccoli buchi neri su scala quantistica.
Al momento, tuttavia, non sappiamo come mettere insieme la relatività generale e la meccanica quantistica per spiegare come la gravità, e quindi i buchi neri, funzionano nel regno quantistico.
Sono stati sviluppati numerosi approcci a una teoria potenziale della gravità quantistica, tra cui la teoria delle stringhe, la gravità quantistica a loop e la teoria degli insiemi causali.
Tuttavia, questi approcci sono del tutto teorici. Al momento non abbiamo modo di testarli tramite esperimenti.
Per testare empiricamente queste teorie, avremmo bisogno di un modo per misurare la gravità su scale molto piccole dove dominano gli effetti quantistici.
Fino a poco tempo fa, eseguire tali test era fuori portata. Sembrava che avremmo avuto bisogno di apparecchiature molto grandi:addirittura più grandi del più grande acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider, che invia particelle ad alta energia che sfrecciano lungo un circuito di 27 chilometri prima di frantumarsi insieme.
Questo è il motivo per cui la recente misurazione della gravità su piccola scala è così importante.
L'esperimento condotto congiuntamente dai Paesi Bassi e dal Regno Unito è un esperimento "da tavolo". Non richiedeva macchinari enormi.
L'esperimento funziona facendo fluttuare una particella in un campo magnetico e poi facendola oscillare un peso per vedere come "si muove" in risposta.
Questo è analogo al modo in cui un pianeta "oscilla" quando ne passa accanto a un altro.
Facendo levitare la particella con i magneti, è possibile isolarla da molte delle influenze che rendono così difficile il rilevamento delle influenze gravitazionali deboli.
La bellezza di esperimenti da tavolo come questo è che non costano miliardi di dollari, il che rimuove uno dei principali ostacoli alla conduzione di esperimenti sulla gravità su piccola scala e potenzialmente al progresso della fisica. (L'ultima proposta per un successore più grande del Large Hadron Collider costerebbe 17 miliardi di dollari.)
Gli esperimenti da tavolo sono molto promettenti, ma c'è ancora del lavoro da fare.
Il recente esperimento si avvicina al dominio quantistico, ma non ci arriva del tutto. Le masse e le forze coinvolte dovranno essere ancora più piccole, per scoprire come agisce la gravità su questa scala.
Dobbiamo anche essere preparati alla possibilità che non sia possibile spingere gli esperimenti da tavolo fino a questo punto.
Potrebbero esserci ancora dei limiti tecnologici che ci impediscono di condurre esperimenti sulla gravità su scala quantistica, spingendoci indietro verso la costruzione di collisori più grandi.
Vale anche la pena notare che alcune delle teorie sulla gravità quantistica che potrebbero essere testate utilizzando esperimenti da tavolo sono molto radicali.
Alcune teorie, come la gravità quantistica a circuito, suggeriscono che lo spazio e il tempo potrebbero scomparire su scale molto piccole o ad alte energie. Se così fosse, potrebbe non essere possibile condurre esperimenti su questa scala.
Dopotutto, gli esperimenti come li conosciamo sono il genere di cose che accadono in un luogo particolare, in un particolare intervallo di tempo. Se teorie come questa sono corrette, potremmo dover ripensare la natura stessa della sperimentazione in modo da poterne dare un senso in situazioni in cui spazio e tempo sono assenti.
D'altra parte, il fatto stesso di poter eseguire esperimenti semplici che coinvolgono la gravità su piccola scala può suggerire che lo spazio e il tempo siano dopo tutto presenti.
Quale si rivelerà vero? Il modo migliore per scoprirlo è continuare con gli esperimenti sperimentali e spingerli il più lontano possibile.
Fornito da The Conversation
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