CONTINUO O DISCRETO: MICROSPIE IN ASCOLTO DEL RUMORE DELLO SPAZIOTEMPO PER SCOPRIRLO

L’esperimento HUMOR pone nuovi limiti per l’unificazione della relatività generale di Einstein con la meccanica quantistica.

HUMOR (Heisenberg Uncertainty Measured with Opto-mechanical Resonators), il primo esperimento ad aver ideato e realizzato un modo completamente nuovo di sondare lo spaziotempo a dimensioni estremamente piccole, pubblica oggi sulla prestigiosa rivista internazionale Nature Communications i primi importanti risultati, che pongono un nuovo limite superiore all’esplorazione dello spaziotempo a livelli microscopici. La misura di altissima precisione è stata possibile grazie all’utilizzo di “microspie” sensibilissime, in grado di ascoltare il flebile rumore delle fluttuazioni dello spaziotempo.

“Usando esperimenti "da tavolo" a bassissime energie, - spiega Francesco Marin, ricercatore di HUMOR, professore all’Università di Firenze, associato a INFN, LENS e CNR-Istituto Nazionale di Ottica - siamo, infatti, riusciti a effettuare, per mezzo di laser e sensori elettromagnetici, misure di spostamenti e tempi con una precisione elevatissima, rilevando le microscopiche vibrazioni di oscillatori di diverse dimensioni e masse, da qualche nanogrammo fino a qualche milligrammo”.

Questi strumenti non hanno ancora osservato una granulosità dello spaziotempo, ma sono riusciti a porre nuovi limiti e ora molti scienziati sono al lavoro per migliorare la strumentazione e spingersi a scale sempre più piccole. “La strada per una chiara comprensione del tessuto spaziotemporale che ci circonda è ancora lunga, - sottolinea Marin - ma i risultati attuali possono già essere utilizzati per verificare le previsioni delle teorie che mirano a unificare gravità e fisica quantistica, costituendo un importante punto di riferimento e di partenza per l'analisi sperimentale di queste problematiche”. HUMOR apre quindi all’affascinate prospettiva di poter testare uno dei punti-chiave delle più avanzate teorie, come ad esempio la teoria delle stringhe: cioè se il tempo e lo spazio, che a noi appaiono continui, siano in realtà fatti di minimi intervalli di spazio e tempo. D’altro canto, rispondere alla questione se spazio e tempo siano continui o discreti è una delle più grandi sfide, con imprevedibili implicazioni. Inoltre, una qualche formulazione della teoria quantistica della gravità potrebbe forse essere candidata a spiegare l'origine dell'intero universo e quindi questi limiti pongono vincoli utili alla costruzione della teoria giusta.

HUMOR è frutto di una collaborazione tra Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy (LENS), le Università di Firenze, Trento e Camerino e la Fondazione Bruno Kessler (FBK).

Come funziona

L’esperimento HUMOR ha alla base micro-oscillatori meccanici molto raffinati, costruiti con micro-litografia su wafer di silicio (tecniche simili a quelle che vengono usate per costruire i processori dei computer), con spessori micrometrici o nanometrici (millesimi o milionesimi di millimetro). La forma degli oscillatori è studiata per isolarli al meglio dall’ambiente esterno. Vengono poi raffreddati fino a pochi gradi dallo zero assoluto, per limitare le vibrazioni indotte dal calore. In questo modo si raggiunge un’elevatissima purezza dell’oscillazione: una volta eccitati, riescono a vibrare oltre un milione di volte prima che l’ampiezza di oscillazione diminuisca significativamente. Il movimento viene misurato con fasci laser e sensori elettrostatici a basso rumore, con sensibilità allo spostamento comparabile alle dimensioni del nucleo atomico. 

Lo scopo è misurare quanto il periodo di oscillazione rimanga stabile durante il moto, anche ad ampiezze relativamente grandi. I ricercatori di HUMOR hanno, infatti, mostrato che diverse teorie, che mirano a unificare in una descrizione unitaria relatività generale e meccanica quantistica, hanno come conseguenza la previsione di una variazione del periodo quando l’oscillatore esplora nel suo moto regioni di spazio più grandi, come se la molla di richiamo si irrigidisse. L’esperimento arriva a misurare variazioni del periodo di qualche parte su un miliardo, prima di arrivare ad ampiezze tali che la struttura stessa della materia (del materiale, silicio cristallino e nitruro di silicio, con cui sono costruiti gli oscillatori) venga stressata al punto da rispondere in maniera anomala e mascherare quindi eventuali effetti riconducibili a modifiche della meccanica quantistica dovute alla gravità. I risultati migliorano comunque i precedenti limiti superiori a effetti di gravità quantistica (ovvero, al parametro che quantifica di quanto vada deformata la meccanica quantistica tradizionale) di molti ordini di grandezza. 

Ad esempio, i limiti ottenuti dalla spettroscopia di precisione dell’atomo di idrogeno erano oltre 20 ordini di grandezza meno stringenti. In effetti, HUMOR è il primo esperimento realizzato appositamente per studiare possibili effetti di gravità quantistica, ed è entrato in una regione in cui i risultati cominciano a essere significativi. La prossima sfida è raffreddare ulteriormente un oscillatore, fino a meno di un millesimo di grado dallo zero assoluto, sfruttando la luce del laser. A questa temperatura il comportamento dell’oscillatore è marcatamente quantistico (ovvero, mostra caratteristiche non spiegabili con la fisica classica, come l’impossibilità di essere completamente localizzato). Sarà possibile quindi evidenziare in maniera più diretta eventuali anomalie riconducibili a effetti di gravità quantistica. Allo stesso tempo, si potrà studiare il confine tra la fisica classica, normalmente usata per descrivere il comportamento di oggetti meccanici, e quella quantistica, che domina l'universo alla scala microscopica, su distanze atomiche (al di sotto di un miliardesimo di metro) e indagare se, come suppongono alcune teorie, la gravità giochi un ruolo fondamentale proprio in questa transizione.

Il contesto teorico

I continui progressi della fisica permettono di conoscere sempre più a fondo l'universo, e anche di disporre di nuove tecnologie, ma allo stesso tempo ci pongono di fronte a domande sempre nuove. La principale questione aperta della fisica è conciliare le due teorie fisiche di maggior successo, la relatività generale di Einstein e la meccanica quantistica, che funzionano perfettamente, ma entro ambiti completamente diversi. La relatività generale spiega la gravitazione e l'universo a grande scala, astronomica e cosmologica, e allo stesso tempo ci ha permesso di realizzare GPS precisissimi. La meccanica quantistica spiega l'universo alla scala microscopica, su distanze atomiche (al di sotto di un miliardesimo di metro) o ancora più piccole, e la sua comprensione è alla base di tutti i dispositivi elettronici che usiamo quotidianamente.

Però nessuno sa come fare quando si devono applicare le due teorie contemporaneamente, ad esempio quando si deve spiegare che cosa succede attorno a un buco nero. O meglio, esistono tantissime teorie che aspirano a realizzare tale unificazione e a divenire la "teoria del tutto", ma nessuna di esse è convincente. E soprattutto non è chiaro come possa essere verificata sperimentalmente. Un aspetto comune di queste teorie è che lo spaziotempo cambi natura, diventi "granuloso", su lunghezze estremamente piccole, detta scala di Planck (10-35 metri, ovvero miliardi di miliardi di volte più piccole di un nucleo atomico). Le strade più comuni per realizzare il "microscopio" in grado di vedere su queste scale ultra-piccole sono scontrare particelle a energie sempre più elevate, come si fa al CERN di Ginevra, oppure osservare con sonde e telescopi fenomeni astrofisici ad alta energia. HUMOR ha invece ideato e realizzato un modo completamente nuovo di sondare lo spaziotempo a dimensioni estremamente piccole: grazie all’utilizzo di “microspie” sensibilissime, in grado di ascoltare il flebile rumore delle fluttuazioni dello spaziotempo.