Misurata la gravità in un sistema quantistico

Ricercatori riescono a misurare forze gravitazionali dell'ordine degli attonewton, percepite da un minuscolo magnete levitante

Crediti: Isaac Young

La gravità è una forza incredibilmente debole rispetto alle altre: basti pensare, ad esempio, che la forza magnetica di una piccola calamita da frigo è superiore all’attrazione gravitazionale dell’intero pianeta!

Ne consegue che misurare la gravità di particelle elementari come quelle del modello standard sia estremamente difficile: elettroni, quark & co. hanno una massa troppo piccola perché la gravità riesca a far sentire la sua presenza in maniera apprezzabile.

Questo è uno dei motivi principali per cui non siamo ancora riusciti a unificare la relatività generale di Einstein, che descrive la gravità e regna sovrana nel mondo macroscopico, con la meccanica quantistica, che invece domina nel mondo dell’estremamente piccolo: insomma, non abbiamo una teoria della gravità quantistica.

Di recente, però, un gruppo di ricercatori a prevalenza olandese è riuscito a misurare, tramite un ingegnoso allestimento in laboratorio, forze gravitazionali dell’ordine minuscolo degli attonewton (aN, dove 1 aN è uguale a 1 diviso 10¹⁸ newton, l’unità base per il calcolo delle forze).

Decoerenza, superconduttori e magneti levitanti

Possibile obiezione: se è vero che non siamo in grado di misurare la gravità nel mondo microscopico, non potremmo seguire l’approccio opposto, cioè “portare” la meccanica quantistica nel mondo macroscopico?

Purtroppo il problema è che le proprietà quantistiche sono molto delicate e tendono a venir meno a contatto con l’ambiente: un fenomeno detto decoerenza, che è particolarmente evidente, ad esempio, nel funzionamento dei computer quantistici.

Per effettuare il loro esperimento, quindi, Tim M. Fuchs e colleghi dell’Istituto di Fisica dell’Università di Leiden (Olanda) hanno dovuto realizzare un sistema che non si limitasse a particelle elementari, ma che consentisse allo stesso tempo un controllo quantistico.

Ecco la ricetta: prendere un piccolissimo magnete (sotto il milligrammo di peso), inserirlo all’interno di un materiale superconduttore, aggiungere un sensore di corrente e raffreddare il tutto fin quasi allo zero assoluto.

Il superconduttore crea un campo magnetico che intrappola il magnete al suo interno, isolandolo dall’ambiente esterno, e a questo punto esso inizia a levitare.

L’apparato sperimentale di Fuchs e colleghi (a sinistra), dove i vari livelli servono a isolare il “rumore” ambientale, mentre i tubi appartengono alle varie fasi di raffreddamento. Da notare la somiglianza con un computer quantistico di Google (a destra)

Pesi rilevanti per minuscole forze gravitazionali

Per il passo successivo, i ricercatori hanno piazzato un peso di circa 2,4 kg su una ruota, facendola girare e muovendola da una parte all’altra del superconduttore contenente il piccolo magnete levitante.

L’obbiettivo è far sì che quest’ultimo senta l’attrazione gravitazionale del peso in movimento, così da oscillare nella trappola con una particolare frequenza (in base alla posizione della ruota) che viene misurata dal sensore.

L’esperimento ha funzionato perfettamente: il magnete ha risposto ai movimenti della ruota e Fuchs e colleghi sono riusciti a misurare una forza gravitazionale di appena 30 attonewton.

Chiaramente c’è ancora molto da lavorare prima di arrivare alla formulazione di una teoria di gravità quantistica, ma i risultati dimostrano l’efficacia dei sensori levitanti e aprono la strada per successivi test con pesi di massa minuscola come il magnete.