Atomi in caduta e gravità: cosa mostra davvero l’esperimento del Quantum Galileo Interferometer

Che cosa hanno misurato

Il gruppo internazionale guidato da Ron Folman ha misurato direttamente la differenza di fase quantistica indotta dalla gravità tra due percorsi coerenti percorsi da atomi ultrafreddi di rubidio.

In uno dei due rami, gli atomi venivano mantenuti quasi fermi contro la gravità mediante campi magnetici; nell’altro venivano lanciati verso l’alto e poi lasciati seguire una traiettoria balistica di caduta libera. Quando i due rami venivano ricombinati, la loro differenza di fase emergeva come uno spostamento misurabile del segnale di interferenza. 24

Il valore osservato è risultato compatibile, nei limiti della precisione sperimentale, con la fase prevista dal principio di equivalenza di Einstein per quei due percorsi. In termini semplici: anche per un atomo che segue due storie quantistiche coerenti, l’effetto della gravità sulla fase è quello atteso.

Come funziona il Quantum Galileo Interferometer

L’esperimento impiega impulsi a microonde per porre gli atomi, vicino a un atom chip, in una sovrapposizione di stati interni e di percorsi. I campi magnetici sostengono un ramo della sovrapposizione, mentre l’altro compie il moto di salita e discesa sotto l’azione della gravità. La successiva ricombinazione trasforma la differenza accumulata tra i due percorsi in un segnale interferometrico leggibile. 24

Non è quindi un semplice controllo della traiettoria classica di un corpo in caduta: è una misura interferometrica in cui la gravità lascia una firma nella fase di un sistema quantistico.

Che cosa il risultato conferma — e che cosa non dice

Il risultato stabilisce che, nel regime di atomi singoli e della debole gravità terrestre esplorato dall’apparato, l’evoluzione quantistica ordinaria e la previsione basata sul principio di equivalenza descrivono correttamente il segnale osservato. 24

Non dimostra però che la gravità sia un fenomeno quantistico, non rileva gravitoni e non unifica la meccanica quantistica con la relatività generale. Inoltre, non permette di decidere se la gravità fondamentale sia quantistica o classica.

Per affrontare quest’ultima domanda servirebbe un tipo di prova diverso: per esempio mostrare che l’interazione gravitazionale può generare entanglement tra due masse sufficientemente isolate. Una proposta in questa direzione considera cristalli di scala micrometrica, potenzialmente nanodiamanti con centri azoto-vacanza, per cercare entanglement prodotto dalla sola gravità. 2

Il legame con l’ipotesi di Roger Penrose

Roger Penrose ha proposto un possibile meccanismo di collasso oggettivo legato alla gravità. L’idea è che un oggetto massiccio in sovrapposizione spaziale corrisponda a due diverse geometrie dello spaziotempo; questa situazione renderebbe instabile la sovrapposizione e ne causerebbe la perdita di coerenza su una scala temporale collegata alla differenza di autoenergia gravitazionale delle due distribuzioni di massa. 9

Un singolo atomo di rubidio è troppo leggero perché questo esperimento possa mettere seriamente sotto stress un effetto di collasso dipendente dalla massa. Per farlo occorrerebbero interferometri capaci di creare sovrapposizioni spaziali ampie e persistenti di sistemi più pesanti, come nanodiamanti levitati o altre particelle mesoscopiche. 19

In tali esperimenti, una perdita di interferenza non spiegabile dall’ambiente e con la dipendenza prevista da massa, separazione e tempo potrebbe sostenere modelli di tipo Diósi-Penrose. Al contrario, osservare coerenza oltre il decadimento previsto ne porrebbe limiti sempre più stringenti. In entrambi i casi, sarebbe essenziale escludere con rigore le forme ordinarie di decoerenza, cioè la perdita di coerenza dovuta alle interazioni con l’ambiente. 19