Nuova ricerca per la rilevazione e il controllo delle vibrazioni quantiche

Sono diversi gli esperimenti che ambiscono a far luce su uno degli aspetti della fisica quantistica non ancora svelati e spiegati matematicamente: le onde gravitazionali.

Uno di questi è riuscito recentemente a vedere con successo un effetto, chiamato “motion quantum” su di una scala discretamente ampia. Si tratta di piccole vibrazioni prodotte a livello atomico in un oggetto che sembra essere stazionario. Tra le varie implicazioni di questa ricerca, che è stata in grado anche di fermare temporaneamente l’effetto, c’è anche la possibilità di poter rilevare delle increspature molto elusive nel tessuto spazio-temporale, che sono proprio le onde gravitazionali.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Science, è stato condotto da un team di ricercatori del California Institute of Technology (Caltech). Nella fisica classica, un oggetto, come ad esempio una sfera messa in una ciotola, finirà per trovarsi in una situazione di riposo per effetto delle forze di gravità e di attrito che agiscono su di essa. Tuttavia nella meccanica quantistica, che governa il comportamento della materia e della luce su scala atomica, nulla è mai veramente a riposo.

Questo significa che tutto ha un estremamente piccolo rumore quantico, o movimento: minuscole vibrazioni su scala atomica. In questo esperimento, i ricercatori hanno potuto osservare l’effetto non solo a livello atomico, ma su una più grande scala micrometrica e, per la prima volta, controllarne l’effetto.

Per rilevarlo è stata utilizzata una lastra di alluminio flessibile su di un substrato di silicio. Un circuito elettrico superconduttore applicato alla stessa ha permesso di farla  vibrare a 3,5 milioni di volte al secondo. Successivamente la piastra è stata portata alla temperatura di 0,01 gradi Kelvin (-273,14 °C) e questo ha ridotto le vibrazioni a zero, ma facendo delle misurazioni con dei campi di microonde è stato rilevato comunque un piccolo motion quantum, di circa il diametro di un protone, cioè 10.000 volte più piccolo di un atomo di idrogeno.

“Quello che abbiamo scoperto è che il moto di un oggetto in una scala a livello dei micron richiede una descrizione quantistica,” ha riportato Keith Schwab, co-autore della ricerca. “La fisica classica non può catturare il rumore quantico che abbiamo osservato”.

Secondo Schwab, il rumore è una “conseguenza inevitabile del principio di indeterminazione di Heisenberg“, per il quale, sostanzialmente, per una particella non si possono conoscere nello stesso istante i suoi esatti valori di posizione e di quantità di moto. Tuttavia, il team ha scoperto che applicando accuratamente un campo di microonde controllato, è possibile ridurre il movimento in certe parti, con la conseguenza di aumentarlo altrove. Questa tecnica è nota come squeezing, o spremitura quantistica.

Come già detto, una delle aree più intriganti in cui questa ricerca potrebbe essere utile è nella rilevazione delle onde gravitazionali. Queste increspature nello spazio-tempo si pensa siano causate da eventi gravitazionali intensi, come lo spinning di alcune stelle di neutroni chiamate pulsar, con una regolarità quasi perfetta. Tuttavia, nonostante l’utilizzo di strumenti come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) questo tipo di fenomeno non è ancora stato osservato.

Se però il dispositivo utilizzato per questa ricerca potesse essere applicato su di una scala più grande, potrebbe essere in grado di rilevare queste increspature nello spazio-tempo provenienti da tutto l’universo ed è proprio questo a cui Schwab stesso ha ammesso che aspira il lavoro del team.

Poterne sapere di più sulle onde gravitazionali avvicinerebbe di più la fisica all’ambìto traguardo di incorporare l’interazione gravitazionale nel quadro della fisica quantistica, risultato che permetterebbe di realizzare la famigerata “Teoria del tutto”, ovvero una formula in grado di descrivere tutto l’universo, alla cui ricerca si sono dedicati infruttuosamente Einstein e i fisici teorici per moltissimi anni.

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