Einstein alla prova dei quanti: l'atomo in caduta libera gli dà ragione

Si racconta che Galileo lasciasse cadere pesi diversi dalla Torre di Pisa per dimostrare che cadono tutti allo stesso modo. Quattro secoli dopo, un team internazionale ha rifatto quell'esperimento — ma con un protagonista impensabile: un singolo atomo, diviso in due dalla meccanica quantistica.

Il problema dei due pilastri

La fisica moderna poggia su due colonne che non si parlano: la relatività di Einstein, che descrive la gravità e il mondo dei grandi, e la meccanica quantistica, che governa il mondo dei piccolissimi. Al cuore della relatività c'è il principio di equivalenza: per chi è in caduta libera, la gravità localmente "scompare" — è l'intuizione che Einstein definì il pensiero più felice della sua vita. Ma vale anche per un oggetto quantistico, che può trovarsi in due posti contemporaneamente? Nessuno l'aveva mai misurato direttamente.

L'interferometro quantistico di Galileo

I ricercatori dell'Università Ben-Gurion del Negev, con i colleghi di Ulm e Oxford, hanno costruito uno strumento dal nome evocativo: l'Interferometro Quantistico di Galileo. Il trucco: prendere un atomo di rubidio raffreddato quasi allo zero assoluto e dividerne l'onda quantistica in due percorsi — uno tenuto fermo dai campi magnetici di un chip atomico, l'altro lasciato cadere liberamente. Ricombinando i due percorsi, la "fase quantistica" accumulata durante la caduta racconta esattamente come l'atomo ha vissuto la gravità.

Il verdetto: Einstein promosso (anche) dai quanti

Il risultato, pubblicato il 2 settembre su Science Advances dal team guidato dal prof. Ron Folman col dottorando Or Dobkowski — e con un nome che non ha bisogno di presentazioni, il premio Nobel Roger Penrose — è la prima misurazione diretta della fase quantistica di un oggetto in caduta libera. E il principio di equivalenza regge: anche nel mondo quantistico, la gravità si comporta come Einstein aveva previsto più di un secolo fa.

Perché è importante

Ogni misura come questa è un mattone verso il sogno proibito della fisica: la gravità quantistica, la teoria che un giorno dovrà unire i due pilastri. E c'è qualcosa di profondamente poetico nel metodo: per interrogare l'universo sulle sue leggi più fondamentali, siamo tornati all'esperimento più antico della scienza moderna — lasciar cadere qualcosa e osservare. Solo che stavolta, a cadere, era un'onda di probabilità.

Cos'è la gravità quantistica

In breve: la gravità quantistica è la teoria, ancora da scoprire, che dovrebbe descrivere la gravità con le regole della meccanica quantistica, riunendo in un unico quadro la relatività di Einstein e la fisica dei quanti.

Perché serve? Le altre tre forze fondamentali della natura, cioè quella elettromagnetica, la nucleare forte e la nucleare debole, sono già descritte dalla fisica quantistica. La luce, per esempio, viaggia in minuscoli pacchetti di energia chiamati fotoni. La gravità no. Per Einstein non è nemmeno una vera forza, ma la curvatura dello spazio-tempo: un tessuto liscio e continuo che si piega attorno alle masse. Le due teorie parlano lingue diverse.

Nella vita di tutti i giorni il disaccordo non si nota: la relatività funziona per pianeti e galassie, la meccanica quantistica per atomi e particelle. Il problema esplode dove servono entrambe: al centro dei buchi neri e nel primo istante del Big Bang, quando una massa enorme era concentrata in uno spazio minuscolo. Lì le equazioni smettono di dare risultati sensati.

Gli effetti della gravità quantistica dovrebbero diventare evidenti alla cosiddetta lunghezza di Planck, circa 1,6 × 10⁻³⁵ metri: scritto per intero, è un numero con 34 zeri dopo la virgola. È circa cento miliardi di miliardi di volte più piccola di un protone. Nessuno strumento si avvicina a quella scala, ed è per questo che la gravità quantistica è così difficile da mettere alla prova.

I candidati sono diversi, e nessuno è confermato. La teoria delle stringhe immagina che ogni particella sia in realtà una minuscola corda che vibra. La gravità quantistica a loop immagina che lo spazio stesso sia fatto di "granelli" indivisibili, come una rete a maglie finissime. Molte teorie prevedono anche il gravitone, una particella che trasporterebbe la gravità come il fotone trasporta la luce. Nessuno, però, l'ha mai osservato.

C'è poi un'altra difficoltà: la gravità è debolissima. Come ricorda il CERN, basta una piccola calamita da frigorifero per produrre una forza più grande dell'attrazione gravitazionale di tutta la Terra. Ecco perché esperimenti come il Quantum Galileo Interferometer sono importanti: non misurano ancora la gravità quantistica, ma esplorano il confine in cui un oggetto quantistico "sente" la gravità. È lì che, un giorno, potrebbero comparire i primi indizi.

Cosa l'esperimento non dimostra

Per essere precisi, lo dicono gli stessi ricercatori: questo esperimento non unisce gravità e meccanica quantistica e non dimostra che la gravità sia di natura quantistica. Non smentisce nemmeno l'idea di Penrose secondo cui la meccanica quantistica potrebbe smettere di valere per oggetti molto pesanti: per metterla alla prova servono masse e tempi più grandi. Il passo successivo, spiegano gli autori, sarà ripetere la misura con oggetti più pesanti degli atomi, come minuscoli nanodiamanti. Come ha detto Folman, l'esperimento offre «nuovi indizi» su come l'unificazione potrebbe un giorno avvenire.