Come misurare il campo gravitazionale di un oggetto quantistico

Alla fine del 18° secolo, lo scienziato britannico Henry Cavendish misurò per la prima volta in un laboratorio la forza di gravità tra due oggetti. Gli oggetti in questione erano palline di piombo, una delle dimensioni di un cocomero, l'altra delle dimensioni di una palla da baseball. La forza tra loro, scoprì, era minuscola, all'incirca il peso di un granello di sabbia.

Da allora, gli esperimenti sono diventati più accurati ma generalmente coinvolgono ancora oggetti relativamente grandi: il campo gravitazionale più piccolo mai misurato era tra due cilindri del peso di 90 grammi. Ma i campi tra masse più piccole sono così piccoli che nessuno ha trovato un modo per misurarli.

La situazione sembra destinata a cambiare grazie al lavoro di Jonas Schmole e dei suoi amici dell'Università di Vienna in Austria. Hanno escogitato un modo per misurare l'attrazione gravitazionale di oggetti su scala millimetrica che sono tre ordini di grandezza meno massicci di qualsiasi cosa misurata prima.

Un simile esperimento consentirebbe agli scienziati di sondare la gravità su scale che non sono mai state possibili prima e apre le porte a una nuova era di esperimenti che esplorano per la prima volta la relazione tra gravità e meccanica quantistica.

Il nuovo metodo per misurare le forze gravitazionali è in linea di principio semplice. Al suo interno, sfrutta il modo in cui piccoli oggetti risuonano quando vengono ripetutamente spinti. Un modo per farlo è ritagliare minuscoli trampolini di lancio nel silicio, in modo che l'elettronica necessaria per monitorarli possa essere incorporata in un unico chip. Questi cosiddetti dispositivi microelettromeccanici sono diventati comuni negli ultimi anni: sono la tecnologia alla base degli airbag e degli accelerometri negli smartphone, ad esempio.

Ora Schmole e compagni vogliono usarli per misurare le forze gravitazionali. La loro idea è quella di creare un trampolino di lancio e posizionare una sfera in scala di milligrammi all'estremità di esso. Questa è la massa di prova di cui sperano di misurare il movimento sotto la forza di gravità.

Allo stesso tempo, posizionano un'altra sfera simile all'estremità di una barra che può essere ruotata avanti e indietro come un pistone. Questa è la massa sorgente che genera un campo gravitazionale in movimento.

Quando queste due sfere sono poste una vicino all'altra, il campo gravitazionale risultante dovrebbe creare una forza di attrazione tra di loro. Ciò dovrebbe trascinare la massa di prova sul trampolino di lancio verso la massa sorgente. Quando la massa sorgente si allontana, l'attrazione diminuirà, consentendo alla massa di prova di diminuire.

Ciò fa vibrare il trampolino di lancio. E se il movimento della massa sorgente corrisponde a una certa frequenza critica, il trampolino risuonerà e questo movimento può essere misurato facendo rimbalzare un laser sul trampolino.

La regolazione del modo in cui la massa della sorgente si muove avanti e indietro consentirà a Schmole e colleghi di esplorare il modo in cui si verifica la risonanza e di misurare la forza che la sta causando: l'attrazione gravitazionale tra i due corpi.

E il gioco è fatto: un modo semplice per misurare la forza gravitazionale tra due oggetti delle dimensioni di un milligrammo che è possibile oggi con dispositivi MEM all'avanguardia.

Naturalmente, ci sono alcune sottigliezze importanti nell'esperimento. Ad esempio, la massa di prova e la massa sorgente devono essere isolate in modo che il movimento di una non influenzi l'altra, se non per attrazione gravitazionale. Questa è una sfida significativa. Un altro è isolare l'intero dispositivo dalle vibrazioni esterne che potrebbero inondare il segnale di interesse.

Ma Schmole e compagni dicono che questi sono gestibili e che l'esperimento è assolutamente fattibile. L'attuale stato dell'arte della tecnologia dovrebbe consentire una dimostrazione di prova del concetto per oggetti sulla scala di millimetri e decine di milligrammi, che migliora già il limite di corrente per il rilevamento del campo gravitazionale di una piccola massa sorgente di tre ordini di grandezza, dicono.

È un lavoro interessante e non solo per le sfide sperimentali coinvolte. Gli oggetti su scala millimetrica sono vicini alla scala in cui le strane leggi della meccanica quantistica diventano osservabili. Questi portano a fenomeni bizzarri come un singolo oggetto che si trova in due posizioni contemporaneamente.

L'entusiasmante opportunità a cui Schmole e colleghi suggeriscono è la capacità di misurare la forza di gravità associata agli oggetti quantistici. Come si manifesterà la forza gravitazionale se associata a un oggetto che esiste in due luoghi contemporaneamente?

Questa è una domanda a cui molti fisici farebbero il braccio destro per conoscere la risposta. Potrebbero non dover aspettare molto!

Rif: arxiv.org/abs/1602.07539 : Un esperimento di prova di principio micromeccanico per misurare la forza gravitazionale di masse di milligrammi

nascondere