La nuova teoria quantistica separa la massa gravitazionale da quella inerziale

Il principio di equivalenza è una delle idee più affascinanti della scienza moderna. Afferma che la massa gravitazionale e la massa inerziale sono identiche. Einstein l'ha messa così: la forza gravitazionale che sperimentiamo sulla Terra è identica alla forza che sperimenteremmo se fossimo seduti in un'astronave che accelera a 1g. Newton avrebbe potuto dire che la m in F=ma è uguale alla ms in F=Gm1m2/r^2.

Questo sembra estremamente sensato. Eppure non è altro che un'affermazione. Certo, possiamo misurare l'equivalenza con una precisione sempre maggiore, ma non c'è nulla che ci impedisca di pensare che a un certo punto la relazione si romperà. In effetti, diverse modifiche alla relatività prevedono che accadrà.

Una domanda importante è cosa ha da dire la meccanica quantistica sulla questione. Ma finora i fisici non sono stati in grado di utilizzare la teoria quantistica come leva per separare il comportamento della massa inerziale e gravitazionale.

Tutto ciò che cambia oggi con lo straordinario lavoro di Endre Kajari all'Università di Ulm in Germania e alcuni amici. Mostrano come sia possibile creare situazioni nel mondo quantistico in cui gli effetti della massa inerziale e gravitazionale devono essere diversi. In effetti, mostrano che queste differenze possono essere arbitrariamente grandi.

Il loro pensiero inizia sottolineando l'importante distinzione tra la cinematica, che si occupa esclusivamente del movimento e non come si manifesta, e la dinamica che si concentra sull'origine del movimento. Nel mondo classico, questo non ha alcuna attinenza con gli effetti della massa inerziale e gravitazionale.

Tuttavia, nel mondo quantistico, il modo in cui vengono preparati gli stati ha un enorme significato. Sottolineano, ad esempio, che la funzione d'onda di una particella in una scatola non dipende affatto dalla massa mentre la funzione d'onda dell'energia di un oscillatore armonico dipende dalla radice quadrata della massa.

Ciò porta a un'idea interessante: che è possibile creare combinazioni di scatole e oscillatori gravitazionali ed elettromagnetici in cui la massa inerziale e quella gravitazionale giocano ruoli diversi.

Si scopre che i fisici giocano già esattamente con questo tipo di allestimento: il cosiddetto trampolino atomico, in cui un'onda di materia cade sotto l'influenza della gravità ma viene rimbalzata da una forza elettromagnetica. Calcolano che gli autovalori energetici dell'atomo sono proporzionali alla (massa gravitazionale)^2/3 ma alla (massa inerziale)^-1/3.

Questo è un risultato sorprendente. Il tipo di spettroscopia energetica degli atomi o dei condensati di Bose Einstein che può individuare questa differenza dovrebbe essere realizzabile, se non ora, molto presto nei prossimi anni.

In caso di successo, questo tipo di indagini forniranno un modo completamente nuovo di studiare la natura della massa e, cosa forse ancora più importante, di investigare la sconcertante relazione tra la relatività generale e la meccanica quantistica.

Ad esempio, i cosmologi vorranno sapere come si comportano la massa inerziale e gravitazionale nelle condizioni più estreme dell'Universo, come all'interno dei buchi neri.

Questo promette alcuni anni entusiasmanti a venire.

Rif: arxiv.org/abs/1006.1988 : Massa inerziale e gravitazionale nella meccanica quantistica

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