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Un atomo in caduta libera supera un nuovo test quantistico della gravità di Einstein
Il Quantum Galileo Interferometer ha misurato la fase gravitazionale di un’onda di materia di rubidio in caduta libera, trovando l’accordo con la previsione a bassa energia basata sul principio di equivalenza di Einst... L’esperimento ha confrontato due percorsi coerenti della stessa onda atomica: uno mantenuto ferm...
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Research answer
Key takeaways
- Il Quantum Galileo Interferometer ha misurato la fase gravitazionale di un’onda di materia di rubidio in caduta libera, trovando l’accordo con la previsione a bassa energia basata sul principio di equivalenza di Einst...
- L’esperimento ha confrontato due percorsi coerenti della stessa onda atomica: uno mantenuto fermo da campi magnetici e uno lasciato in caduta libera.
- Esperimenti con oggetti più pesanti, come i nanodiamanti, potrebbero verificare fino a quale massa persiste la coerenza quantistica, distinguendo però eventuali nuovi effetti dalla decoerenza ordinaria.
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Un gruppo di ricerca che coinvolge l’Università Ben-Gurion del Negev, l’Università di Ulm e l’Università di Oxford ha misurato direttamente una fase gravitazionale prevista per un oggetto quantistico in caduta libera. Il Quantum Galileo Interferometer ha usato atomi di rubidio ultrafreddi per confrontare un ramo di un’onda di materia mantenuto nel sistema di riferimento del laboratorio con un altro ramo lasciato cadere liberamente. La fase osservata concorda con la previsione ottenuta applicando il principio di equivalenza di Einstein in questo regime quantistico a bassa energia. 1
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Come funziona l’interferometro quantistico di Galileo
L’esperimento parte da atomi di rubidio raffreddati a temperature estremamente basse, condizioni nelle quali il loro comportamento ondulatorio quantistico può essere controllato in modo coerente. L’apparato divide la funzione d’onda degli atomi in due pacchetti d’onda che seguono percorsi spazialmente distinti. 1
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Un percorso viene mantenuto approssimativamente fermo rispetto al laboratorio mediante campi magnetici. L’altro viene lanciato e poi lasciato in caduta libera: durante la caduta, gli sperimentatori non applicano forze a quel ramo. 2
Dopo un intervallo controllato, i due percorsi vengono ricombinati. Come due increspature che si sovrappongono nell’acqua, le onde interferiscono. L’interferenza rivela la loro fase relativa, cioè la differenza nell’evoluzione delle onde quantistiche lungo i due tragitti. Poiché un ramo è caduto liberamente e l’altro è stato sostenuto, la misura isola la fase associata alla caduta libera quantistica. 2
Cosa dice il risultato sul principio di equivalenza
Il principio di equivalenza di Einstein afferma che, localmente, per un osservatore in caduta libera gli effetti della gravità scompaiono. Il nuovo risultato mette alla prova il modo in cui questo principio si applica a un’onda di materia coerentemente distribuita su percorsi diversi.
La fase relativa misurata coincide con quella prevista per la caduta libera. Nel regime esaminato, il dato indica che il principio di equivalenza può essere applicato in modo coerente a un oggetto quantistico, e non soltanto a una particella classica con una traiettoria ben definita. 1
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Il punto importante è che non ci si è limitati a seguire l’accelerazione media di una nube atomica. La funzione d’onda dell’atomo è stata posta in sovrapposizione e il gruppo ha letto la differenza di fase fra i suoi due rami. 1
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Cosa non dimostra l’esperimento
Il risultato non va descritto come una scoperta della gravità quantistica.
Non unifica la meccanica quantistica con la relatività generale. In questo tipo di calcolo a bassa energia, l’atomo viene trattato quantisticamente, mentre la gravità fornisce un campo di fondo classico. L’esperimento conferma che questo quadro, molto usato, predice correttamente la fase osservata nelle condizioni testate. 2
Non dimostra neppure che la gravità sia un campo quantistico o che trasporti informazione quantistica. Finora nessun esperimento ha fornito una prova conclusiva di caratteristiche quantistiche dell’interazione gravitazionale. 48
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Una strada proposta per affrontare questa domanda consiste nel preparare due masse in stati quantistici e cercare un’entanglement generato esclusivamente dalla loro interazione gravitazionale. L’interpretazione di tali esperimenti, però, dipende da ipotesi teoriche; lavori recenti discutono ancora se alcuni modelli di gravità classica possano riprodurre effetti simili all’entanglement. 51
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Perché non è un test del collasso gravitazionale proposto da Penrose
Roger Penrose ha proposto che sovrapposizioni spaziali sufficientemente grandi possano perdere spontaneamente coerenza a causa delle diverse distribuzioni di massa coinvolte. Il Quantum Galileo Interferometer ha invece misurato una fase coerente di onde di materia atomiche: non è stato progettato per cercare una perdita anomala di visibilità dell’interferenza in sovrapposizioni massicce e di lunga durata.
Per verificare proposte di collasso servono esperimenti capaci di variare massa, separazione spaziale e tempo di coerenza, escludendo al contempo le normali fonti di decoerenza. Collisioni, rumore elettromagnetico, vibrazioni e imperfezioni tecniche possono ridurre la visibilità dell’interferenza senza indicare alcun nuovo meccanismo gravitazionale.
La nuova misura sostiene quindi la normale coerenza quantistica nel regime atomico studiato. Non conferma né esclude in modo definitivo i modelli di collasso pensati per oggetti molto più grandi.
Perché i nanodiamanti sono un possibile passo successivo
Gli interferometri proposti con nanodiamanti puntano a estendere gli esperimenti con onde di materia a masse molto maggiori. Un centro azoto-vacanza, o centro NV, incorporato nel nanodiamante può fornire un grado di libertà di spin; gradienti magnetici possono usarlo per creare e controllare una sovrapposizione spaziale. 17
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Una proposta basata su un chip mira a particelle con massa approssimativamente compresa tra (10^{-19}) e (10^{-15}) chilogrammi. 20 Esperimenti di questo tipo permetterebbero di verificare se la coerenza quantistica persista quando l’oggetto diventa più massiccio e più esposto ai disturbi dell’ambiente.
Se una sovrapposizione massiccia e sufficientemente isolata durasse oltre il limite previsto da uno specifico modello di collasso, quel modello ne risulterebbe vincolato. Se invece l’interferenza scomparisse, occorrerebbe prima dimostrare che la decoerenza convenzionale non sia una spiegazione sufficiente.
In cosa differisce dal test in orbita della stazione Tiangong
Il Quantum Galileo Interferometer e l’esperimento di interferometria atomica sulla stazione spaziale cinese Tiangong riguardano entrambi gravità e atomi ultrafreddi, ma pongono domande diverse.
Tiangong ha impiegato un interferometro atomico a doppia specie, con gli isotopi (^{85})Rb e (^{87})Rb, per confrontarne le accelerazioni di caduta libera in orbita. Su 280 giorni di dati, l’incertezza riportata per il test del principio di equivalenza debole è stata (2,8\times10^{-8}), con un risultato di ((-3,1\pm4,6)\times10^{-7}). 35
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Si tratta di un test dell’universalità della caduta libera: corpi di prova diversi accelerano nello stesso modo nello stesso campo gravitazionale?
Il Quantum Galileo Interferometer, invece, confronta due rami della stessa onda di materia coerente — uno sostenuto e uno in caduta libera — per misurare la fase quantistica prevista per la caduta libera. 2
Entrambi gli esperimenti sono coerenti con la fisica del principio di equivalenza applicata ad atomi quantistici. Nessuno dei due, da solo, dimostra che la gravità sia quantizzata.
La conclusione, senza forzature
Il Quantum Galileo Interferometer ha raggiunto un traguardo circoscritto ma rilevante: ha osservato direttamente la fase prevista dalla gravità per un’onda di materia atomica in caduta libera. L’accordo con la teoria estende un test del principio di equivalenza a un contesto nel quale l’oggetto è in una sovrapposizione quantistica controllata. 1
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Il significato più solido del risultato è questo: nelle condizioni di bassa energia misurate, la meccanica quantistica e il principio di equivalenza di Einstein restano compatibili. Non è una teoria completa della gravità quantistica, né un test della perdita di coerenza quantistica indotta dalla gravità.
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Il Quantum Galileo Interferometer ha misurato la fase gravitazionale di un’onda di materia di rubidio in caduta libera, trovando l’accordo con la previsione a bassa energia basata sul principio di equivalenza di Einst... L’esperimento ha confrontato due percorsi coerenti della stessa onda atomica: uno mantenuto fermo da campi magnetici e uno lasciato in caduta libera.
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Esperimenti con oggetti più pesanti, come i nanodiamanti, potrebbero verificare fino a quale massa persiste la coerenza quantistica, distinguendo però eventuali nuovi effetti dalla decoerenza ordinaria.
Sources
physics.ox.ac.ukScientists observe Einstein's gravity in the quantum world
arxiv.orgObservation of quantum free fall and the consistency with ...
nature.comObservable quantum entanglement due to gravity - npj Quantum Information