Poco più di una settimana fa, alcuni fisici europei hanno annunciato di aver misurato la forza di gravità sulla scala più piccola mai vista.
In un intelligente esperimento da tavolo, i ricercatori dell’Università di Leiden nei Paesi Bassi, dell’Università di Southampton nel Regno Unito e dell’Istituto di fotonica e nanotecnologie in Italia hanno misurato una forza di circa 30 attonewton su una particella con poco meno di mezzo milligrammo di massa. Un attonewton è un miliardesimo di miliardesimo di newton, l’unità standard di forza.
I ricercatori affermano che il lavoro potrebbe “svelare ulteriori segreti sulla struttura stessa dell’universo” e potrebbe rappresentare un passo importante verso la prossima grande rivoluzione nel campo della fisica.
Ma perché? Non è solo il risultato: è il metodo, e ciò che dice su un percorso da seguire per un ramo della scienza che, secondo i critici, potrebbe essere intrappolato in un circolo vizioso di costi in aumento e rendimenti in diminuzione.
Gravità
Dal punto di vista fisico, la gravità è una forza estremamente debole. Potrebbe sembrare una cosa strana da dire.
Tuttavia, rispetto alle altre forze che conosciamo – come la forza elettromagnetica che è responsabile del legame tra gli atomi e della generazione di luce, e la forte forza nucleare che lega i nuclei degli atomi – la gravità esercita un’attrazione relativamente debole tra gli oggetti.
E su scala più piccola, gli effetti della gravità diventano sempre più deboli.
È facile vedere gli effetti della gravità per oggetti delle dimensioni di una stella o di un pianeta, ma è molto più difficile rilevare gli effetti gravitazionali per oggetti piccoli e leggeri.
La necessità di testare la gravità
Nonostante la difficoltà, i fisici vogliono davvero testare la gravità su piccola scala. Questo perché potrebbe aiutare a risolvere un mistero secolare della fisica attuale.
La fisica è dominata da due teorie di grande successo.
La prima è la relatività generale, che descrive la gravità e lo spaziotempo su larga scala. Il secondo è la meccanica quantistica, che è una teoria delle particelle e dei campi – gli elementi costitutivi di base della materia – su piccola scala.
Queste due teorie sono in qualche modo contraddittorie, e i fisici non capiscono cosa succede nelle situazioni in cui dovrebbero applicarsi entrambe. Uno degli obiettivi della fisica moderna è quello di combinare la relatività generale e la meccanica quantistica in una teoria della “gravità quantistica”.
Un esempio di situazione in cui è necessaria la gravità quantistica è per comprendere appieno i buchi neri. Questi sono previsti dalla relatività generale – e ne abbiamo osservati di enormi nello spazio – ma potrebbero formarsi anche piccoli buchi neri su scala quantistica.
Al momento, tuttavia, non sappiamo come mettere insieme la relatività generale e la meccanica quantistica per spiegare come la gravità, e quindi i buchi neri, funzionano nel regno quantistico.
Nuove teorie e nuovi dati
Sono stati sviluppati numerosi approcci a una teoria potenziale della gravità quantistica, tra cui la teoria delle stringhe, la gravità quantistica a loop e la teoria degli insiemi causali.
Tuttavia, questi approcci sono del tutto teorici. Al momento non abbiamo modo di testarli tramite esperimenti.
Per testare empiricamente queste teorie, avremmo bisogno di un modo per misurare la gravità su scale molto piccole dove dominano gli effetti quantistici.
Fino a poco tempo fa, eseguire tali test era fuori portata. Sembrava che avremmo avuto bisogno di apparecchiature molto grandi: persino più grandi del più grande acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider, che invia particelle ad alta energia che sfrecciano lungo un circuito di 27 chilometri prima di scontrarsi.
Esperimenti da tavolo
Questo è il motivo per cui la recente misurazione della gravità su piccola scala è così importante.
L’esperimento condotto congiuntamente dai Paesi Bassi, Italia e dal Regno Unito è un esperimento “da tavolo”. Non richiedeva macchinari enormi.
L’esperimento funziona facendo fluttuare una particella in un campo magnetico e poi facendo oscillare un peso accanto ad essa per vedere come “si agiti” in risposta.
Questo è analogo al modo in cui un pianeta “oscilla” quando ne passa accanto a un altro.
Facendo levitare la particella con i magneti, può essere isolata da molte delle influenze che rendono così difficile il rilevamento delle influenze gravitazionali deboli.
La bellezza degli esperimenti da tavolo come questo è che non costano miliardi di dollari, il che rimuove una delle principali barriere per condurre esperimenti di gravità su piccola scala e potenzialmente per progredire nella fisica. (L’ultima proposta per un successore più grande del Large Hadron Collider costerebbe 17 miliardi di dollari.)
C’è ancora del lavoro da fare
Gli esperimenti da tavolo sono molto promettenti, ma c’è ancora del lavoro da fare.
Il recente esperimento si avvicina al dominio quantistico, ma non ci arriva del tutto. Le masse e le forze coinvolte dovranno essere ancora più piccole, per scoprire come agisce la gravità su questa scala.
Dobbiamo anche essere pronti alla possibilità che potrebbe non essere possibile spingere gli esperimenti da tavolo fino a questo punto.
Potrebbe ancora esserci qualche limitazione tecnologica che ci impedisce di condurre esperimenti sulla gravità a livello quantistico, costringendoci a tornare verso la costruzione di collider più grandi.
Torniamo alle teorie
Vale anche la pena notare che alcune delle teorie sulla gravità quantistica che potrebbero essere testate utilizzando esperimenti da tavolo sono molto radicali.
Alcune teorie, come la gravità quantistica a loop, suggeriscono che lo spazio e il tempo possano scomparire a scale molto piccole o ad energie molto elevate. Se così fosse, potrebbe non essere possibile condurre esperimenti a queste scale.
Dopotutto, gli esperimenti come li conosciamo sono il genere di cose che accadono in un luogo particolare, durante un particolare intervallo di tempo. Se teorie come questa sono corrette, potremmo aver bisogno di ripensare la stessa natura dell’esperimento per poterla comprendere in situazioni in cui lo spazio e il tempo sono assenti.
D’altro canto, il fatto stesso che possiamo eseguire esperimenti diretti che coinvolgono la gravità a piccole scale potrebbe suggerire che lo spazio e il tempo siano presenti dopo tutto.
Quale di queste ipotesi si dimostrerà vera? Il modo migliore per scoprirlo è continuare con gli esperimenti da tavolo e spingerli il più lontano possibile.
