Come misurare la schiuma quantistica con un esperimento da tavolo

Uno degli enigmi centrali dello spaziotempo è la sua struttura su scala più piccola.

Le equazioni della relatività generale sono lisce, anche alle scale più piccole. Ma all'inizio degli anni '60, il fisico americano John Wheeler ha sottolineato che nella meccanica quantistica, le proprietà ordinarie dello spaziotempo, come la posizione, la quantità di moto e così via, hanno un'incertezza associata ad esse. Ciò implica che anche lo spaziotempo deve essere incerto. Wheeler lo descrisse notoriamente come schiuma quantica.

Ai fisici piacerebbe molto studiare questa schiuma, ma c'è un problema. Lo spaziotempo diventa simile alla schiuma solo sulla scala più piccola, alle cosiddette lunghezze di Planck di 10^-35 metri circa.

Indagare quella distanza è ovviamente difficile. Un modo per farlo è accelerare le particelle a enormi energie, il che consente ai fisici di determinare con precisione la loro posizione, sondando così volumi di spazio molto piccoli.

Ma le energie richieste sono di circa 10^19 GeV, molti ordini di grandezza superiori agli acceleratori di particelle di oggi. Non c'è alcuna probabilità di raggiungere questa energia sulla Terra nel prossimo futuro, quindi i fisici sono più o meno rassegnati all'idea che non potranno mai mettere le mani sulla schiuma quantistica.

Potrebbero cambiare oggi grazie a un'affascinante idea di Jacob Bekenstein, un fisico dell'Università Ebraica di Gerusalemme in Israele. Bekenstein dice di aver trovato un modo per misurare la struttura dello spaziotempo sulla scala di Planck usando un semplice esperimento che coinvolge poco più di un blocco di vetro e un laser.

In sostanza, l'esperimento è semplice. L'obiettivo di Bekenstein è spostare il blocco di una distanza che è circa uguale alla lunghezza di Planck. Il suo metodo è semplice: fulminare il blocco con un singolo fotone.

Il fotone trasporta una piccola quantità di momento e di conseguenza spinge il blocco mentre entra nel vetro, dandogli un certo momento. Quando il fotone lascia il blocco, il blocco si ferma.

Quindi il risultato del passaggio del fotone è che sposta il blocco di una piccola distanza.

L'idea di Bekenstein è che se questa distanza è minore della lunghezza di Planck, allora il blocco non può muoversi e il fotone non può attraversarlo.

Quindi l'esperimento prevede la misurazione del numero di fotoni che passano attraverso il blocco. Se il numero è inferiore a quanto previsto dall'ottica classica, ciò dimostra l'esistenza della schiuma quantistica.

In effetti, modificando la quantità di moto impartita dai fotoni, i fisici dovrebbero essere in grado di misurare la scala alla quale si attivano gli effetti della schiuma quantistica e forse quantificarla anche in altri modi.

La bellezza di questo esperimento è che evita tutti i soliti problemi di sondare scale di piccola lunghezza usando particelle quantistiche che a loro volta sperimentano incertezza nella loro posizione.

Invece, l'esperimento di Bekenstein si basa sulla conservazione della quantità di moto e sul cambiamento di posizione del centro di massa di un blocco di vetro macroscopico. Dimostra che ciò non viola il principio di indeterminazione. In effetti, l'unica misurazione coinvolta è un semplice conteggio dei fotoni.

La cosa migliore è che questo esperimento non richiede alcun dispositivo più esotico di un laser e un frigorifero (il blocco deve essere raffreddato vicino allo zero per ridurre al minimo le perturbazioni termiche). Nulla al riguardo va al di là dello stato dell'arte. In effetti, il test potrebbe essere eseguito oggi su un tavolo in un laboratorio ben attrezzato.

Questo non vuol dire che sarà facile. Bekenstein è un grande formaggio nel mondo della fisica teorica, ma i colleghi vorranno essere sicuri che la sua argomentazione sia a tenuta stagna prima di intraprendere un simile esperimento.

Se lo è, allora l'esperimento da tavolo di Bekenstein potrebbe essere attivo e funzionante in un futuro molto prossimo offrendo il primo potenziale assaggio della schiuma quantistica.

Certo, sarebbe interessante anche il fallimento nel trovare la schiuma quantistica. L'ultimo pensiero è che la gravità è un fenomeno emergente attraverso una sorta di processo termodinamico. Questo non richiede schiuma quantica.

Quindi il fallimento nel rilevare la schiuma quantistica, sebbene non sia una prova delle teorie gravitazionali emergenti, sarebbe certamente anche una scoperta estremamente interessante.

Ad ogni modo, i fisici potrebbero divertirsi un po' con questo.

Rif: arxiv.org/abs/1211.3816 : È fattibile una ricerca da tavolo per i segnali della scala di Planck?

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