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Gravità: nuovo test stabilisce che vale almeno fino a 52μm    

Gravità: nuovo test stabilisce che vale almeno fino a 52μm  

Prima venne Newton. È da lui che abbiamo imparato che cosa sia la gravità. Si tratta infatti di una forza che agisce – fra i corpi – a distanza. Naturalmente, quanto più i corpi sono massicci, tanto più intensa sarà l’attrazione gravitazionale.

Ma è anche vero che quanto più i corpi sono distanti, tanto minore sarà la loro capacità di attrarsi. Poi venne Einstein. A dirci che la gravità va inquadrata all’interno della sua “teoria della relatività generale”. In buona sostanza, la gravità si spiega in un altro modo: corpi più o meno massicci sono “appoggiati” su un tappeto elastico che è lo spazio-tempo.

Questi corpi pesanti infossano il tappeto elastico e – all’interno di queste fosse – cadono gli oggetti più piccoli, che appaiono attratti da quelli più grandi. Ma cosa succede nel mondo microscopico? Purtroppo a livello sub-atomico, vale a dire se andiamo ad ingrandire oggetti incredibilmente più piccoli di un atomo, ci imbattiamo in un cartello su cui c’è scritto “Qui regna la Fisica Quantistica”.

C’è da chiedersi allora se nel mondo quantistico esiste la gravità, soprattutto la gravità di Einstein. Ebbene, l’incompatibilità fra la teoria quantistica e quella della relatività generale rappresenta un rompicapo tremendo ormai per generazioni di fisici.

Tanti ci hanno provato invano, ad esempio i cosiddetti teorici delle stringhe (non quelle delle scarpe! sono i fisici convinti che le particelle del mondo quantistico siano corde che vibrano), piuttosto che il famoso Stephen Hawking.

forza di gravità

Il ragionamento di quest’ultimo si basa su un’importante regola che vige nel mondo quantistico: se di una particella si conosce la posizione, non è possibile conoscere la velocità e viceversa.

Ciò implica – è il principio di indeterminazione di Heisenberg – che non possiamo determinare esattamente dove si trovi una particella in un determinato istante.

Tuttavia, possiamo calcolare la probabilità che la nostra particella si trovi all’interno di un determinato spazio. Dunque, anche se una particella, per spostarsi dal punto A al punto B, può seguire numerosissimi percorsi, è possibile considerare una specie di media di tutti questi percorsi.

In maniera analoga, la “gravità quantistica euclidea” di Hawking considera tutti i possibili modi in cui l’Universo può evolvere. Purtroppo la simulazione al computer di questa teoria non conduce al nostro universo osservabile, caratterizzato da quattro dimensioni (tre spaziali ed una temporale).

Questa “missione impossibile” è stata invece quasi risolta da Jan Ambjørn, Jerzy Jurkiewicz e Renate Loll, i quali hanno sviluppato un procedimento chiamato “triangolazione dinamica causale”.

Triangolazione perché hanno suddiviso lo spazio-tempo in triangoli; dinamica perché hanno simulato l’evoluzione dei triangoli e causale perché hanno introdotto, fra i postulati di partenza del loro procedimento, la “causalità”, cioè il principio secondo cui gli eventi si verificano in una specifica sequenza di causa ed effetto, invece che in un caotico disordine.

Quando hanno infilato i dati nella simulazione, hanno trattenuto il fiato, ma il loro lavoro è stato ricompensato: è saltato fuori un Universo a quattro dimensioni. Se scendiamo ulteriormente nella scala di grandezza, approssimandoci all’infinitamente piccolo, le dimensioni diventano due.

E – francamente – ci sentiamo un po’ “appiattiti”, ma contenti perché la fisica ha compiuto un altro passo in avanti. E ha decretato – con quasi certezza – che non esistono i tanto sognati e immaginati tunnel spazio-temporali. Nonostante tutto, la nostra passione per i romanzi di fantascienza non ne risulta diminuita. Senza la Fisica, e senza l’immaginazione non esisterebbe né la Scienza, né la Fantascienza.

Un nuovo test

Uno degli aspetti fondamentali della gravità è il modo in cui si indebolisce con la distanza. Quando raddoppia la distanza, la forza gravitazionale diminuisce di un quarto. Quadruplica la distanza e la forza di interazione gravitazionale è solo un sedicesimo del valore iniziale.

Questa proprietà è nota come  1 / r ^ 2 (la “r” misura la distanza tra due masse) ed è stata una delle prime proprietà dedotte sulla gravità – prima ancora di averla compresa appieno come una legge universale della natura.

Questo comportamento non è abbastanza preciso a tutte le scale. Vicino a un oggetto enorme come il sole o un buco nero, la gravità non obbedisce esattamente alla regola 1 / r ^ 2; è diverso, anche se di poco.

Questa differenza non è molto evidente nel nostro sistema solare, con l’eccezione di Mercurio. Questa discrepanza alla fine fu descritta della teoria della relatività generale di Einstein, una svolta nella nostra comprensione della realtà.

Ma al di fuori degli ambienti gravitazionali estremi, la gravità dovrebbe ancora andare come 1 / r ^ 2, e per quanto ne sappiamo, lo fa. Gli scienziati sono estremamente interessati a conoscerne l’andamento su scale estremamente piccole. A piccole scale le deviazioni dalle leggi conosciute potrebbero dirci come si comporta l’universo a scala subatomica.

Ad esempio, se il nostro universo ha dimensioni spaziali extra (una caratteristica chiave della teoria delle stringhe) che sono piccole e arricciate, potrebbero influire sulla gravità. E’ impossibile sondare la scala estremamente piccola, ma potremmo avere un effetto a catena su ciò che possiamo effettivamente misurare.

E così, gli scienziati stanno inventando congegni intelligenti per misurare la gravità su scale minuscole, come l’ultima sonda sviluppata dai ricercatori dell’Università di Washington . Usando due piastre pesanti  che ruotano con intagli a intervalli specifici. I fisici possono così misurare l’influenza gravitazionale di un disco sull’altro. Il risultato?

La gravità obbedisce 1 / r ^ 2 fino a una scala di almeno 50 micrometri: come la larghezza di un capello umano

Apparato e risultati sperimentali

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Figura 1

Figura 1. In alto a sinistra: rivelatore e attrattore rotante ingrandito. Non viene mostrato uno schermo elettrostatico che circonda il rivelatore e lo isola dall’attrattore. In alto a destra: foto del corpo collaudato di seconda generazione prima e dopo il rivestimento dorato. Il diametro del foro è di 52 mm. Curve inferiori: coppie newtoniane previste (linee continue). Le linee tratteggiate e tratteggiate sono α = 1 coppie Yukawa con λ = 70 e 30 μm , rispettivamente.

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Figura 2

Figura 2. Dati di seconda generazione. Trama superiore: calibrazione assoluta della scala di coppia. Tre sfere da 1.137 kg su un giradischi di calibrazione esterno rotante a ω c (c stà per coppia), hanno applicato una coppia gravitazionale di 3 ω c su tre sfere da 0,4816 g sul rivelatore.

Il rivelatore e le sfere di calibrazione sono equamente distanziati rispettivamente su cerchi con raggio di 16,48 mm e 19,05 cm. ( ω c è stato scelto per avvicinare la frequenza del segnale 3 ω c a quella dei segnali 120 ω nelle nostre analisi scientifiche.) Il risultato [ ( 2,137 ± 0,009 ) fN m] si basa sulla calibrazione nominale dell’autocollimatore.  [fN significa femto Newton = 10^-15 N].

La coppia gravitazionale atteso è ( 2.112 ± 0,005 120 Ohm segnali sono stati impostati a 1 / 2 e 10 / 3 volte la frequenza di libera oscillazione ω 0 Il. 36 ω picco si verifica a ω 0 ed è un residuo della oscillazione libera, è non una seconda coppia armonica del modello n = 18 poiché tutte le armoniche anche svaniscono nella nostra geometria. ) fN m dove l’errore deriva dalle incertezze nelle posizioni e nelle masse delle sfere.

Il rapporto previsto/nominale (γ = 0,988 ± 0,005) ha fornito una calibrazione assoluta della scala dell’autocollimatore. I test di calibrazione sono stati eseguiti per un periodo di 85 giorni. Grafico inferiore figura 2: densità spettrale di potenza del segnale di coppia a distanza s = 72 μm. Le linee in nero mostrano il rumore termico (e dell’autocollimatore) assumendo Q = 1000. Il picco di 54 ω è la terza armonica del segnale n = 18.

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Figura 3

Figura 3. Dati di seconda generazione. Curva superiore: centraggio orizzontale del rivelatore sull’attrattore registrato la coppia gravitazionale 120 ω. Il centro si presenta a x 0 = (- 102 ± 2) μ m, y 0 = (- 2121 ± 2) μ m.

Curva centrale e inferiore: la separazione verticale s è stata determinata combinando due misurazioni della capacità elettrica più gli spessori della pellicola e dei fogli di colla sulle facce del corpo di prova. Quando le barre di errore non sono mostrate in questa e nelle figure successive, le incertezze sono più piccole dei simboli.

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Figura 4

Figura 4. Curva superiore: effetto di un campo magnetico verticale applicato B z a distanza s = 72 μm . I punti sulle linee continue e tratteggiate sono stati rilevati con lo scudo magnetico più esterno rimosso e in posizione, rispettivamente. Le linee sono paraboliche. Il campo sul rivelatore svanisce in B z = 65 . La banda verde orizzontale mostra la coppia misurata s = 72 μ m nei nostri dati scientifici. La differenza ( 0,0165 ± 0,0054 ) fNm tra B z = 0 μT e B z = 65 μT è il contributo magnetico alla coppia.

Curva inferiore: effetto sistematico di un campo Bz in funzione della distanza s. I punti mostrano la differenza tra le coppie in un campo forte e applicato ( B z = – 250 μT: schermo esterno rimosso) e un campo nullo ( + 65 μ T : tutti gli schermi in posizione). Le curve mostrano anche i calcoli di Fourier-Bessel dell’interazione spin-spin tra le magnetizzazioni indotte nel rivelatore e nei corpi di prova degli attrattori; una singola normalizzazione riproduce gli effetti 18, 54 e 120 ω.

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Figura 5

Figura 5. Curva superiore: coppie di 18, 54 e 120 ω corrette per il sistema magnetico. Se non diversamente indicato, le incertezze sono più piccole dei simboli sulla curva. I punti dati con essenzialmente le stesse s sono combinati solo per la visualizzazione. Viene mostrato l’adattamento newtoniano e ha P = 0,654 . L’aggiunta di un termine di Yukawa non ha migliorato sensibilmente l’adattamento. Curve inferiori: corrispondenti limiti superiori di confidenza al 95% su | α | da questo e dai precedenti lavori.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. New Test of the Gravitational 1/r2 Law at Separations down to 52μm – J. G. Lee, E. G. Adelberger, T. S. Cook, S. M. Fleischer, and B. R. Heckel.  Phys. Rev. Lett. 124, 101101 – Published 10 March 2020
  2. Amici della Scienza
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Ezio
Ezio
19 Aprile 2020 2:36 PM

Anche nel.mondo Umano essere più giovani significa essere più forti rispetto ai più vecchi.

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