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La gravità ha davvero una natura quantistica?

Due nuovi articoli teorici hanno individuato un esperimento realizzabile in laboratorio che potrebbe indicare se la gravità ha davvero una natura quantistica, mettendo fine a una questione su cui si discute da un secolo.

Nel 1935, quando la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Albert Einstein erano ancora giovani, un fisico sovietico poco noto di nome Matvei Bronstein, di appena 28 anni, elaborò il primo studio dettagliato su come riconciliare le due teorie in una teoria quantistica della gravità. Questa “possibile teoria del mondo nella sua totalità”, come la definì Bronstein, avrebbe dovuto sostituire la classica descrizione della gravità di Einstein, concepita in termini di curve nel continuum spazio-temporale, riscrivendola nello stesso linguaggio quantistico del resto della fisica.

Matvei Petrovich Bronstein
Un ritratto del fisico teorici sovietico Matvei Petrovich Bronstein (1906-1938), pioniere degli studi sulla gravità quantistica (Wikimedia Commons)

Bronstein capì come descrivere la gravità in termini di particelle quantizzate, ora chiamate gravitoni, ma solo quando la forza di gravità è debole – cioè (in relatività generale), quando il tessuto spazio-temporale è così debolmente curvo da poter essere approssimato come piatto. Quando la gravità è forte, “la situazione è molto diversa”, scrisse. “Senza una profonda revisione delle nozioni classiche, sembra quasi impossibile estendere la teoria quantistica della gravità anche a questo dominio”.

Le sue parole furono profetiche. Ottantatré anni dopo, i fisici stanno ancora cercando di capire come la curvatura spazio-temporale emerga a scale macroscopiche da un’immagine di gravità più fondamentale, presumibilmente quantistica; è verosimilmente la domanda più profonda che si possa porre in fisica. Forse, se ne avesse avuta la possibilità, Bronstein avrebbe potuto aiutare a velocizzare le cose. Oltre alla gravità quantistica, contribuì all’astrofisica e alla cosmologia, alla teoria dei semiconduttori e all’elettrodinamica quantistica, e scrisse anche diversi libri di scienze per bambini, prima di essere coinvolto nella Grande Purga di Stalin e giustiziato nel 1938, all’età di 31 anni.

La ricerca della teoria completa della gravità quantistica è stata ostacolata dal fatto che le proprietà quantistiche della gravità non sembrano mai manifestarsi nell’esperienza reale. I fisici non vedono mai ciò che va storto nella descrizione del levigato continuum spazio-temporale di Einstein, o nell’approssimazione quantistica di Bronstein quando il continuum è leggermente curvo.

Il problema è l’estrema debolezza della gravità. Mentre le particelle quantizzate che trasmettono le forze forti, deboli ed elettromagnetiche sono così potenti da legare strettamente la materia in atomi e possono essere studiate in esperimenti da banco, i singoli gravitoni sono così deboli che i laboratori non hanno alcuna speranza di rilevarli. Per rilevare un gravitone con un’alta probabilità, un rivelatore di particelle dovrebbe essere così grande e massiccio da collassare in un buco nero. Questa debolezza è il motivo per cui ci vuole un accumulo astronomico di massa per influenzare gravitazionalmente altri corpi massicci, e per cui vediamo solo la gravità in modo evidente.

Non solo. L’universo sembra essere governato da una sorta di censura cosmica: regioni di gravità estrema – dove lo spazio-tempo curva così bruscamente che le equazioni di Einstein funzionano male e la vera natura quantistica della gravità e dello spazio-tempo si deve palesare – si nasconde sempre dietro agli orizzonti dei buchi neri.

“Pochi anni fa era opinione comune che non fosse possibile misurare in alcun modo la quantizzazione del campo gravitazionale”, ha detto Igor Pikovski, fisico teorico della Harvard University.

Ora, un paio di articoli recentemente pubblicati su “Physical Review Letters” (1,2) hanno fatto un calcolo diverso. Gli scritti sostengono che dopo tutto è possibile accedere alla gravità quantistica, anche senza imparare nulla a riguardo. Gli articoli, firmati da Sougato Bose e nove collaboratori dell’University College London, e da Chiara Marletto e Vlatko Vedral dell’Università di Oxford, propongono un esperimento da laboratorio tecnicamente impegnativo, ma fattibile, che potrebbe confermare che la gravità è una forza quantistica come tutto il resto, senza mai rilevare un gravitone. Miles Blencowe, un fisico quantistico del Dartmouth College che non era coinvolto nel lavoro, ha dichiarato che l’esperimento rileverebbe un segno sicuro di gravità quantistica altrimenti invisibile: il “ghigno dello Stregatto”.

entaglement di diamanti
Interpretazione artistica dei due microdiamanti entangled, cuore dell’esperimento proposto (Credit: Olena Shmahalo/Quanta Magazine)

L’esperimento proposto determinerà se due oggetti – il gruppo di Bose prevede di utilizzare una coppia di microdiamanti – possano diventare quantomeccanicamente entangled  l’uno all’altro attraverso la reciproca attrazione gravitazionale.

L’entanglement è un fenomeno quantistico in cui le particelle diventano inseparabilmente intrecciate, condividendo una singola descrizione fisica che specifica i loro possibili stati combinati. (La coesistenza di diversi stati possibili, chiamata “sovrapposizione”, è il segno distintivo dei sistemi quantistici.) Per esempio, una coppia di particelle entangled potrebbe esistere in una sovrapposizione in cui c’è una probabilità del 50 per cento che lo spin della particella A punti verso l’alto mentre quello della particella B punti verso il basso, e una possibilità del 50 per cento per il viceversa. Non si sa in anticipo quale risultato si otterrebbe misurando le direzioni di spin delle particelle, ma si può essere certi che punteranno in direzioni opposte tra loro.

Gli autori sostengono che i due oggetti nell’esperimento da loro proposto possono rimanere entangled l’uno con l’altro in questo modo solo se la forza che agisce tra loro – in questo caso la gravità – è un’interazione quantistica, mediata da gravitoni in grado di mantenere le sovrapposizioni quantistiche. “Se si riesce a effettuare l’esperimento e si ottiene entanglement, allora, secondo questi articoli, bisogna concludere che la gravità è quantizzata”, ha spiegato Blencowe.

Entaglement di diamanti

La gravità quantistica è così impercettibile che alcuni ricercatori si sono chiesti addirittura se esiste. Il venerabile fisico matematico Freeman Dyson, 94 anni, ha sostenuto dal 2001 che l’universo potrebbe supportare una sorta di descrizione “dualistica”, in cui “il campo gravitazionale descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein è un campo puramente classico, senza alcun comportamento quantistico”, come scrisse quell’anno sulla “New York Review of Books”, anche se tutta la materia all’interno di questo spazio-tempo liscio è quantizzata in particelle che obbediscono a regole probabilistiche.

Freeman Dyson
Freeman Dyson

Dyson, che ha contribuito a sviluppare l’elettrodinamica quantistica (la teoria delle interazioni tra materia e luce) ed è professore emerito all’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, dove lavorò a fianco di Einstein, non è d’accordo con l’argomento secondo cui la gravità quantistica è necessaria per descrivere gli irraggiungibili interni dei buchi neri. E si chiede se il rilevamento dell’ipotetico gravitone sia impossibile, anche in linea di principio. In quel caso, sostiene, la gravità quantistica è metafisica, piuttosto che fisica.

Dyson non è l’unico scettico. Il famoso fisico britannico Sir Roger Penrose e, in modo indipendente, il ricercatore ungherese Lajos Diósi, hanno ipotizzato che lo spazio-tempo non possa mantenere sovrapposizioni. Sostengono che la sua natura liscia, solida, fondamentalmente classica gli impedisce di curvarsi in due diversi modi possibili contemporaneamente e che la sua rigidità è esattamente ciò che causa il collasso delle sovrapposizioni di sistemi quantistici come elettroni e fotoni. Questa “decoerenza gravitazionale”, secondo loro, dà origine alla realtà classica, solida, sperimentata su scale macroscopiche.

La capacità di rilevare il “ghigno” della gravità quantistica sembrerebbe confutare l’argomento di Dyson. Ucciderebbe anche la teoria della decoerenza gravitazionale, mostrando che la gravità e lo spazio-tempo mantengono le sovrapposizioni quantistiche.

Le proposte di Bose e Marletto sono apparse in contemporanea, praticamente per caso, anche se gli esperti dicono che ciò riflette lo spirito del tempo. I laboratori di fisica quantistica sperimentale di tutto il mondo stanno mettendo oggetti microscopici sempre più grandi in sovrapposizioni quantistiche e protocolli di ottimizzazione per verificare se due sistemi quantistici sono entangled. L’esperimento proposto dovrà combinare queste procedure e richiederà ulteriori miglioramenti in scala e sensibilità; potrebbe volerci un decennio o più per ottenere un risultato. “Ma non ci sono ostacoli fisici”, ha detto Pikovski, che studia come gli esperimenti di laboratorio possono testare i fenomeni gravitazionali. “Penso che sia una sfida, ma non ritengo sia impossibile”.

Il progetto è presentato in maggior dettaglio nell’articolo di Bose e colleghi, un gruppo di esperti per le diverse fasi della proposta. Nel suo laboratorio presso l’Università di Warwick, per esempio, il coautore Gavin Morley sta lavorando al primo passo, tentando di mettere un microdiamante in una sovrapposizione quantistica di due posizioni.

microdiamante
Un microdiamante levitante (punto verde) nel laboratorio di Gavin Morley all’Università di Warwick, davanti all’obiettivo usato per intrappolare il diamante con la luce. Gavin W Morley

Per fare questo, incorpora un atomo di azoto nel microdiamante, accanto a una lacuna nella struttura del diamante, e lo investe con un impulso a microonde. Un elettrone in orbita attorno al sistema di azoto-lacuna contemporaneamente assorbe la luce e non la assorbe, e il sistema entra in una sovrapposizione quantistica delle due direzioni di spin – su e giù – come una trottola che ha una probabilità di rotazione in senso orario e una possibilità di rotazione in senso antiorario. Il microdiamante, dotato di questo spin sovrapposto, è soggetto a un campo magnetico, che spinge verso sinistra gli spin su e verso destra gli spin giù. Il diamante stesso si divide quindi in una sovrapposizione di due traiettorie.

Nell’esperimento completo, i ricercatori devono fare tutto questo con due diamanti, uno blu e uno rosso, per esempio sospesi l’uno accanto all’altro all’interno di un vuoto ultrafreddo. Quando la trappola che li ospita è spenta, i due microdiamanti, ciascuno in una sovrapposizione di due posizioni, cade verticalmente nel vuoto. Mentre cadono, i diamanti sentono la gravità l’uno dell’altro. Ma quanto è forte la loro attrazione gravitazionale? Se la gravità è un’interazione quantistica, allora la risposta è: dipende. Ogni componente della sovrapposizione del diamante blu sperimenterà un’attrazione gravitazionale più forte o più debole per il diamante rosso, a seconda che quest’ultimo si trovi nel ramo della sua sovrapposizione che è più vicino o più lontano. E la gravità percepita da ogni componente della sovrapposizione del diamante rosso dipende in modo simile da dove si trova il diamante blu.

In ogni caso, i diversi gradi di attrazione gravitazionale influenzano le componenti in evoluzione delle sovrapposizioni dei diamanti. I due diamanti diventano interdipendenti, il che significa che i loro stati possono essere specificati solo in combinazione – se questo, allora quello – in modo che, alla fine, le direzioni di spin dei loro due sistemi di azoto-lacuna saranno correlate.

gravitone
Un esperimento recentemente proposto potrebbe confermare che la gravità è una forza quantica. Coinvolge due microdiamanti, ognuno posto in una “sovrapposizione” quantistica di due possibili posizioni. Se la gravità è quantica, l’attrazione gravitazionale tra i diamanti intrappolerà i loro stati. Se non lo è, i diamanti non resteranno impigliati. 1. Due microdiamanti vengono levitati a una piccola distanza l’uno dall’altro. 2. Ciascuno è posto in una sovrapposizione di due direzioni di rotazione. 3. Un campo magnetico separa i componenti di spin. 4. Se la gravità è quantica, ogni componente sentirà un’attrazione gravitazionale unica. Se è classico, non lo farà. 5. Un campo magnetico disegna i componenti di nuovo insieme. 6. Gli spin degli oggetti vengono misurati, collassando le sovrapposizioni.

Dopo che i microdiamanti sono caduti fianco a fianco per circa tre secondi – tempo sufficiente affinché l’uno rimanga entangled con la gravità dell’altro – passano poi attraverso un altro campo magnetico che rimette insieme i rami di ogni sovrapposizione. L’ultimo passo dell’esperimento è un protocollo di “testimonianza dell’entanglement” sviluppato dalla fisica olandese Barbara Terhal e altri: i diamanti blu e rossi entrano in dispositivi separati che misurano le direzioni di spin dei loro sistemi azoto-lacuna. (La misurazione fa sì che le sovrapposizioni crollino in stati definiti). I due risultati vengono poi confrontati. Ripetendo l’intero esperimento più e più volte e confrontando molte coppie di misure di spin, i ricercatori possono determinare se gli spin dei due sistemi quantistici sono correlati l’uno con l’altro più spesso di un limite superiore noto per oggetti che non sono quantomeccanicamente entangled. In tal caso, la conseguenza sarebbe che la gravità induce un entanglement tra i diamanti e può sostenere le sovrapposizioni.

“La cosa bella di queste argomentazioni è che non c’è davvero bisogno di sapere che cosa sia precisamente la teoria dei quanti”, ha detto Blencowe. “Ciò che conta è che ci deve essere un aspetto quantistico in questo campo che media la forza tra le due particelle”.

Le sfide tecniche non mancano. L’oggetto più grande che è stato messo in una sovrapposizione di due posizioni finora è una molecola di 800 atomi. Ogni microdiamante contiene oltre 100 miliardi di atomi di carbonio, abbastanza per raccogliere una forza gravitazionale sufficiente. Scoprire il suo carattere quantomeccanico richiederà temperature più fredde, un vuoto più elevato e un controllo più preciso. “Gran parte del lavoro consiste nel far funzionare questa sovrapposizione iniziale”, ha dichiarato Peter Barker, membro del gruppo sperimentale dello University College London che sta migliorando i metodi per il raffreddamento laser e per l’intrappolamento dei microdiamanti. Se si può fare con un diamante, ha aggiunto Bose, “allora due non fanno molta differenza”.

Perchè la gravità è unica

I fisici che studiano la gravità quantistica non dubitano che la gravità sia un’interazione quantistica, capace di indurre l’entanglement. Certo, la gravità è speciale in qualche modo, e c’è molto da capire sull’origine dello spazio e del tempo, ma la meccanica quantistica dev’essere coinvolta, dicono. “Non ha molto senso cercare di avere una teoria in cui il resto della fisica è quantistica e la gravità è classica”, ha dichiarato Daniel Harlow, ricercatore di gravità quantistica al Massachusetts Institute of Technology. Le argomentazioni teoriche contro i modelli misti classico-quantistici sono forti (sebbene non conclusivi).

D’altra parte, è già capitato che i fisici teorici si sbagliassero, ha osservato Harlow: “Quindi se puoi controllare, perché non farlo? Se ciò può contribuire a mettere a tacere queste persone” – intendendo coloro che mettono in dubbio la natura quantistica della gravità – “è grandioso”. Dopo aver letto i documenti di “Physical Review Letters”, Dyson ha scritto in un’email: “L’esperimento proposto è certamente di grande interesse e vale la pena realizzarlo con sistemi quantistici reali”. Tuttavia, afferma che il modo di pensare degli autori sui campi quantistici differisce dal suo. “Non mi è chiaro se [l’esperimento] possa risolvere la questione dell’esistenza della gravità quantistica”, ha scritto. “La domanda che ho posto, se un singolo gravitone è osservabile, è una domanda diversa e potrebbe avere una risposta diversa”.

 ghigno dello Stregatto
Illustrazione del ghigno dello Stregatto. Secondo alcuni, rivelare la natura quantistica della gravità sarebbe come catturare il famoso ghigno del personaggio di Lewis Carroll (thethreesisters/Flickr/Creative Commons)

In effetti, il modo in cui Bose, Marletto e colleghi pensano alla gravità quantizzata deriva da come Bronstein la concepì per la prima volta nel 1935. (Dyson definì l’articolo di Bronstein “un gran bel lavoro”, come non ne aveva mai visti prima.) In particolare Bronstein dimostrò che la debole gravità prodotta da una piccola massa può essere approssimata dalla legge di gravità di Newton. (Questa è la forza che agisce tra le sovrapposizioni di microdiamanti). Secondo Blencowe, i calcoli di gravità quantizzata debole non sono stati molto sviluppati, nonostante siano presumibilmente più rilevanti, dal punto di vista fisico, della fisica dei buchi neri o del Big Bang. Spera che la nuova proposta sperimentale spinga i fisici teorici a scoprire se ci sia qualche correzione sottile all’approssimazione newtoniana che i futuri esperimenti da banco possano essere in grado di testare.

Leonard Susskind, della Stanford University, uno dei massimi esperti di gravità quantistica e di teoria delle stringhe, ha colto l’importanza dell’esecuzione dell’esperimento proposto perché “fornisce un’osservazione della gravità in una nuova gamma di masse e distanze”. Ma lui e altri ricercatori hanno sottolineato che i microdiamanti non possono rivelare qualcosa sulla teoria completa della gravità quantistica o dell spazio-tempo. Lui e i suoi colleghi vogliono capire che cosa succede al centro di un buco nero e al momento del big bang.

Forse un indizio sul perché sia molto più difficile quantizzare la gravità di qualsiasi altra cosa è che gli altri campi di forza in natura mostrano una caratteristica chiamata “località”: le particelle quantistiche in una regione del campo (i fotoni nel campo elettromagnetico, per esempio) “sono indipendenti dalle entità fisiche in qualche altra regione dello spazio”, ha detto Mark Van Raamsdonk, fisico teorico della gravità quantistica dell’Università della British Columbia. Ma “ci sono almeno un sacco di prove teoriche che non è così che funziona la gravità.

Nei migliori modelli di gravità quantistica (che hanno geometrie spazio-temporali più semplici di quelle dell’universo reale), non è possibile ipotizzare che il tessuto dello spazio-tempo che si può curvare si suddivida in pezzi 3-D indipendenti, spiega Van Raamsdonk. Invece, la teoria moderna suggerisce che i sottostanti costituenti fondamentali dello spazio “sono organizzati più in un modo bidimensionale”. Il tessuto spazio-temporale potrebbe essere come un ologramma o un videogioco: “Anche se l’immagine è tridimensionale, le informazioni sono memorizzate in un chip di computer bidimensionale”, sottolinea. In tal caso, il mondo tridimensionale è illusorio, nel senso che diverse parti di esso non sono poi così indipendenti. Nell’analogia del videogioco, una manciata di bit memorizzati nel chip 2-D potrebbe codificare le caratteristiche globali dell’universo del gioco.

La distinzione è importante quando si tenta di costruire una teoria quantistica della gravità. Il solito approccio alla quantizzazione di qualcosa consiste nell’identificare le sue parti indipendenti – le particelle, diciamo – e quindi nell’applicare a esse la meccanica quantistica. Ma se non s’identificano i costituenti corretti, si ottengono le equazioni sbagliate. Quantizzare direttamente lo spazio 3-D, come fece Bronstein, funziona fino a un certo punto per la gravità debole, ma il metodo fallisce quando lo spazio-tempo è molto curvo.

Documentare il “ghigno” della gravità quantistica aiuterebbe a motivare queste linee astratte di ragionamento, hanno detto alcuni esperti. Dopotutto, anche gli argomenti teorici più ragionevoli per l’esistenza della gravità quantistica mancano del peso dei fatti sperimentali. Quando Van Raamsdonk spiega la sua ricerca in un colloquio o una conversazione, ha detto, di solito deve iniziare dicendo che la gravità deve essere conciliata con la meccanica quantistica perché la classica descrizione spazio-temporale non funziona per i buchi neri e il Big Bang, e negli esperimenti mentali sulle particelle che si scontrano a energie irraggiungibili. “Ma se si potesse fare questo semplice esperimento e ottenere il risultato che mostra che il campo gravitazionale è soggetto effettivamente a una sovrapposizione”, ha detto, allora è ovvia la ragione per cui la descrizione classica non è evidente: “Perché c’è questo esperimento che suggerisce che la gravità è quantistica”.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 6 marzo 2018 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online lanciata dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)

 

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