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Il principio chiave di Einstein sopravvive alla prova quantistica

Le particelle con proprietà quantistiche che tendono alla mente seguono ancora una regola gravitazionale standard, almeno per quanto gli scienziati possono raccontare.

Il principio di equivalenza – uno dei principi centrali della teoria della gravità di Einstein – è sopravvissuto a un test quantistico, gli scienziati riferiscono online il 7 aprile su arXiv.org.

Nella teoria della gravità di Einstein – la teoria generale della relatività – la gravità e l’accelerazione sono due facce della stessa moneta. Secondo il principio dell’equivalenza, la massa gravitazionale di un oggetto, che determina la forza della tensione di gravità, è uguale alla massa inerziale, che determina quanto un oggetto si accelera quando viene data una spinta ( SN: 10/17/15, p 16 ). Di conseguenza, due oggetti caduti sulla superficie terrestre dovrebbero accelerare allo stesso ritmo (trascurando la resistenza all’aria), anche se hanno masse diverse o sono di materiali diversi.

Uno dei primi test segnalati del principio dell’equivalenza – ben prima che si comprendesse nel quadro della relatività generale – era l’esperimento apocrifo di Galileo in cui si dice abbia abbassato i pesi dalla Torre Pendente di Pisa. Gli scienziati hanno adattato quel test a scale più piccole, scambiando i pesi per gli atomi. Nel nuovo studio i fisici hanno fatto un passo avanti, mettendo gli atomi in una sovrapposizione quantistica, una sorta di limbo in cui un atomo non ha un’energia definita ma occupa una combinazione di due livelli di energia.
Uno dei primi test segnalati del principio dell’equivalenza – ben prima che si comprendesse nel quadro della relatività generale – era l’esperimento apocrifo di Galileo in cui si dice abbia abbassato i pesi dalla Torre Pendente di Pisa. Gli scienziati hanno adattato quel test a scale più piccole, scambiando i pesi per gli atomi. Nel nuovo studio i fisici hanno fatto un passo avanti, mettendo gli atomi in una sovrapposizione quantistica, una sorta di limbo in cui un atomo non ha un’energia definita ma occupa una combinazione di due livelli di energia.

Manipolando atomi di rubidio con i laser, gli scienziati guidati da ricercatori provenienti dall’Italia hanno dato gli atomi un calcio verso l’alto e hanno osservato come gravità li abbatté. Per confrontare l’accelerazione degli atomi normali con quelli in una sovrapposizione, gli scienziati dividono gli atomi in due nuvole, mettono gli atomi in una nuvola in una sovrapposizione e misurano come le nuvole hanno interagito. Queste nuvole di atomi si comportano come onde, interferendo allo stesso modo alla fusione di onde d’acqua. Le increspature risultanti dipendono dall’accelerazione gravitazionale provata dagli atomi.

Gli scienziati hanno poi confrontato il risultato di questo test con uno dove entrambe le nuvole erano in uno stato di energia normale. La gravità, ha concluso i ricercatori, ha attinto gli atomi in una sovrapposizione allo stesso tasso degli altri – almeno al livello di sensibilità che gli scienziati sono stati in grado di sondare, in 5 parti in 100 milioni.

I test quantistici del principio di equivalenza esplorano il regno oscuro dove si incontrano la meccanica quantistica e la relatività generale. Le due teorie non giocano bene tra loro. Gli scienziati stanno attualmente combattendo per unificare la coppia in una teoria della gravità quantistica e alcune teorie dei candidati prevedono che il principio di equivalenza si abbassa al livello quantistico.

Il test “è un nuovo modo di affrontare la gravità con la fisica quantistica”, afferma il fisico teorico Robert Mann dell’Università di Waterloo in Canada. “Qualunque modo che possiamo fare, ci dice qualcosa su come mettere insieme la gravità con la fisica quantistica”, anche se il test non trova alcuna violazione, dice.

Guglielmo Tino, coautore di studio e fisico dell’Università di Firenze, ha rifiutato di commentare il lavoro a causa delle politiche della rivista in cui è stata accettata la carta.

Gli scienziati hanno già testato il principio di equivalenza negli atomi, confrontando gli effetti della gravità su diversi tipi di atomi, ad esempio. Poiché tali prove riguardano piccole particelle, esplorano anche il territorio nebuloso tra la fisica quantistica e la relatività generale. Ma il nuovo test è il primo a studiare la sovrapposizione, una delle proprietà più strane della meccanica quantistica.

“È una bella dimostrazione della versatilità di questi test quantistici”, afferma il fisico Ernst Rasel del Leibniz Universität Hannover in Germania.

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