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Su scala più piccola, la realtà fisica sfida l’intuizione quotidiana. La meccanica quantistica è il nostro quadro più affidabile per spiegare come si comportano gli atomi e le particelle subatomiche. Se combinato con la teoria dei campi, dipinge un quadro in cui campi vasti e sempre presenti, proprio come i campi elettrici e magnetici, danno origine alle particelle che costituiscono la materia. In questa immagine, il modello standard descrive 12 campi di materia e quattro campi di forza, questi ultimi che rappresentano le interazioni elettromagnetiche, deboli, forti e gravitazionali. Sebbene le prime tre forze siano integrate nel modello, la gravità rimane un valore anomalo.

La svolta di Einstein arrivò con la relatività generale, che identificò la gravità non come una forza ma come la curvatura dello spazio-tempo stesso. Conciliare questa visione geometrica con la natura probabilistica della teoria quantistica è stata una sfida di lunga data. Per ora, una teoria quantistica completa della gravità è ancora sfuggente, ma il progresso sperimentale sta accelerando.

Combinazione di due tecniche all'avanguardia per misurare movimenti minuscoli

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La relatività generale crolla in prossimità di concentrazioni di massa estreme, come i buchi neri, suggerendo che è necessaria una teoria più profonda, che unisca la meccanica quantistica con la gravità. I ricercatori del MIT stanno sperimentando test sperimentali che potrebbero sondare gli aspetti quantistici della gravità e i laser svolgono un ruolo centrale nel loro approccio.

Il primo articolo del team, "Raffreddamento laser attivo di un oscillatore torsionale su scala centimetrica", è stato pubblicato su Optica. Riporta il successo del raffreddamento laser di un oscillatore torsionale lungo un centimetro, un dispositivo tradizionalmente utilizzato nelle misurazioni di gravità di precisione, dalla temperatura ambiente a 10 mK (un millesimo di Kelvin). Questo raffreddamento rende l'oscillatore compatibile con i quanti, preservandone le dimensioni macroscopiche, rendendolo un banco di prova ideale per studiare l'interazione della gravità con i sistemi quantistici.

Ciò che distingue questo lavoro è la fusione di due distinti metodi basati sul laser. Il raffreddamento laser dei gas atomici è stato stabilito da tempo, ma l’applicazione dello stesso principio a un oscillatore meccanico di queste dimensioni non ha precedenti. Questa svolta apre la porta a esperimenti che potrebbero osservare direttamente la firma quantistica della gravità.

Leve ottiche a specchio:sensibilità più nitida alle piccole inclinazioni

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Nell'esperimento, i ricercatori hanno utilizzato una leva ottica a specchio. Le tecniche convenzionali di leva ottica illuminano uno specchio con un laser e rilevano piccoli cambiamenti angolari attraverso il raggio riflesso. Tuttavia, i disturbi ambientali (correnti d'aria, vibrazioni meccaniche o imperfezioni ottiche) spesso si mascherano da falsi movimenti.

Impiegando un livello ottico a specchio, essenzialmente un raggio di contropropagazione che rispecchia l'originale, il rumore derivante da questi disturbi viene effettivamente annullato. Quando i due raggi convergono verso il rilevatore, il jitter dovuto a fattori esterni viene soppresso, lasciando un segnale pulito proveniente dall'oscillatore stesso. Questa configurazione a doppio raggio riduce il rumore di un fattore mille, consentendo il rilevamento del movimento con una precisione senza precedenti.

In questa fase, il team può misurare le oscillazioni con una sensibilità dieci volte più fine delle fluttuazioni quantistiche del punto zero del dispositivo. Sebbene si tratti di un risultato notevole, è necessario un ulteriore perfezionamento per testare direttamente la natura quantistica della gravità. Il passo successivo prevede il miglioramento dell'interazione ottica in modo che due oscillatori torsionali possano interagire esclusivamente attraverso la loro reciproca attrazione gravitazionale, una configurazione che potrebbe finalmente rivelare se la gravità si comporta in modo quantomeccanico.

Con il progredire della ricerca, gli scienziati del MIT sono pronti a ampliare i confini della misurazione di precisione, fornendo potenzialmente la prima prova sperimentale che la gravità è effettivamente una forza quantistica.