Atomi in caduta: misurata la fase quantistica prevista dalla gravità di Einstein

Un gruppo guidato da Ron Folman ha misurato direttamente un piccolo sfasamento quantistico prodotto dalla gravità terrestre in atomi di rubidio ultrafreddi. Con il Quantum Galileo Interferometer, i ricercatori hanno confrontato due percorsi coerenti della stessa onda atomica: uno mantenuto quasi fermo da un campo magnetico e l’altro lanciato verso l’alto e poi lasciato in caduta libera. Quando i percorsi sono stati ricombinati, il segnale di interferenza è risultato compatibile, entro la precisione sperimentale, con la fase prevista dal principio di equivalenza di Einstein nelle condizioni esaminate. 24

Che cosa è stato misurato

In meccanica quantistica, le particelle sono descritte anche come onde. Durante l’evoluzione, un’onda accumula una fase: una proprietà che, presa isolatamente, non è in genere osservabile. Diventa però misurabile quando due onde coerenti vengono ricongiunte, perché la loro differenza di fase modifica il disegno di interferenza.

Nell’esperimento, impulsi a microonde hanno creato una sovrapposizione di due storie possibili per gli atomi vicino a un atom chip, un dispositivo microfabbricato che produce e controlla campi magnetici. Per un ramo della funzione d’onda, il campo magnetico compensava la gravità; l’altro ramo seguiva una traiettoria balistica, salendo e poi ricadendo. La ricombinazione finale ha trasformato la fase gravitazionale relativa in un segnale d’interferenza misurabile. 24

Il punto essenziale è questo: lo sfasamento osservato è coerente con la previsione del principio di equivalenza. È il principio che, nella teoria di Einstein, lega localmente la caduta libera agli effetti della gravità. 24

Perché è un test importante

Non si tratta semplicemente di osservare la traiettoria classica di un oggetto che cade. Il test riguarda un’interferometria in cui l’oggetto rilevante è un’onda di materia quantistica coerente, distribuita su due percorsi alternativi.

Il risultato mostra quindi che, per atomi di rubidio ultrafreddi nel debole campo gravitazionale terrestre, l’evoluzione quantistica misurata è compatibile con quanto previsto dal principio di equivalenza. 24

È un riscontro sperimentale utile al confine tra due descrizioni fisiche spesso presentate come difficili da conciliare: la meccanica quantistica governa sovrapposizione e interferenza dell’atomo, mentre la gravità determina la differenza di fase associata ai due percorsi.

Che cosa il risultato non dimostra

Questo esperimento non unifica la meccanica quantistica e la relatività generale. Non dimostra che la gravità sia quantizzata, non rileva gravitoni e non permette di scegliere in modo definitivo tra una teoria della gravità fondamentalmente quantistica e una fondamentalmente classica. 23

Una verifica più diretta del carattere quantistico della gravità sarebbe, per esempio, dimostrare che la gravità può generare entanglement — correlazioni quantistiche non spiegabili classicamente — tra oggetti massivi sufficientemente isolati. Alcune proposte puntano a porre in sovrapposizione spaziale cristalli di scala micrometrica, potenzialmente nanodiamanti con sistemi di spin incorporati, e a verificare se la loro interazione gravitazionale reciproca produca entanglement. 34

L’ipotesi di collasso di Roger Penrose

Roger Penrose ha avanzato un’ipotesi diversa: una sovrapposizione spaziale di un oggetto abbastanza massivo corrisponderebbe a geometrie alternative dello spaziotempo, che non potrebbero rimanere coerenti indefinitamente. Nei modelli collegati di Diósi-Penrose, il tempo atteso di decadimento della sovrapposizione è legato alla differenza di autoenergia gravitazionale fra le distribuzioni di massa sovrapposte. 36

Si tratta di un’ipotesi su un possibile limite della meccanica quantistica standard, non di una conclusione dell’esperimento con gli atomi di rubidio. Un singolo atomo non è il tipo di sistema massivo e spazialmente separato nel quale questi modelli dovrebbero essere più facilmente verificabili.

Il prossimo confine: oggetti quantistici più pesanti

I test dei modelli di collasso cercano di produrre sovrapposizioni spaziali di oggetti molto più massivi dei singoli atomi, per poi cercare una perdita di coerenza che non possa essere attribuita al rumore ordinario dell’ambiente. Le rassegne sperimentali sui modelli di collasso indicano proprio le superposizioni spaziali di oggetti massivi come la strategia più diretta: tali modelli possono vietare sovrapposizioni che la teoria quantistica standard, invece, consente. 33

Interferometri futuri basati su particelle mesoscopiche — come nanodiamanti levitati o altri piccoli cristalli — dovranno preservare la coerenza quantistica controllando con estrema precisione le normali fonti di decoerenza ambientale. Se questi sistemi mantenessero l’interferenza oltre il decadimento previsto da un modello, quel modello ne risulterebbe vincolato. Se invece emergesse una perdita di coerenza riproducibile, con la dipendenza attesa da massa, separazione e tempo, sarebbe un segnale da indagare; resterebbe comunque necessario escludere rumore sperimentale e altre cause non gravitazionali. 333436

Per ora, il risultato del Quantum Galileo Interferometer va letto in termini precisi: nel regime sperimentale studiato, un’onda di materia quantistica in caduta libera ha accumulato la fase gravitazionale prevista dal principio di equivalenza di Einstein. 24