Da oltre cent’anni la fisica si confronta con una divisione profonda che continua a generare interrogativi. Su un fronte abbiamo la relatività generale, capace di spiegare con straordinaria accuratezza il movimento di corpi celesti, sistemi planetari e strutture cosmiche. Sull’altro versante troviamo la meccanica quantistica, che regola l’universo microscopico delle particelle seguendo principi che, osservati attentamente, appaiono scritti secondo logiche apparentemente contraddittorie. Riconciliare queste due visioni rappresenta una delle sfide più complesse della fisica moderna.
Ora un team di scienziati dell’Australian National University ha compiuto un passo significativo: ha documentato l’entanglement nel movimento di atomi di elio portati a temperature estreme, vale a dire in elementi dotati di massa che subiscono l’influenza gravitazionale. Questo aspetto rende la ricerca particolarmente rilevante: trasporta uno degli aspetti più enigmatici della teoria quantistica in un ambito che interseca direttamente anche la relatività.
L’entanglement era osservato principalmente nei fotoni, ora coinvolge materia concreta costituita da atomi soggetti alla forza di gravità
L’entanglement rappresenta uno dei concetti più sconcertanti della scienza contemporanea. Quando due particelle risultano entangled, il loro stato rimane interconnesso indipendentemente dalla distanza che le separa. Effettuare una misurazione su una comporta un’immediata modifica nella descrizione dell’altra. Questo collegamento è stato verificato ripetutamente, principalmente attraverso i fotoni, le particelle che compongono la radiazione luminosa. I fotoni tuttavia presentano massa a riposo nulla. Si dimostrano efficaci nel rivelare le peculiarità quantistiche, ma risultano meno utili quando si tenta di comprendere l’interazione tra mondo quantistico e forza gravitazionale.
Gli atomi di elio impiegati in questa ricerca modificano lo scenario. Possiedono massa, quindi cadono, si muovono, seguono traiettorie fisiche. Gli studiosi li hanno raffreddati fino a raggiungere temperature prossime allo zero assoluto, una condizione estrema nella quale la materia assume uno stato speciale denominato condensato di Bose-Einstein. In queste circostanze il comportamento quantistico diventa osservabile su scala più gestibile, quasi come se fenomeni normalmente invisibili iniziassero a manifestarsi più chiaramente.
Successivamente il gruppo ha provocato la collisione di queste nubi atomiche ultrafredde. Dall’impatto sono emerse coppie di atomi reciprocamente connesse. L’aspetto più notevole emerge immediatamente: secondo i principi della meccanica quantistica, gli atomi possono trovarsi in una sovrapposizione di traiettorie, ovvero comportarsi come se percorressero simultaneamente molteplici percorsi. Questo spiega perché si parli di atomi presenti in due posizioni contemporaneamente. Si tratta di una sintesi divulgativa, ma comunque efficace nel comunicare il fenomeno: prima dell’osservazione, la teoria descrive la particella come distribuita tra diverse alternative possibili.
I ricercatori hanno monitorato gli atomi durante la loro caduta verso lo strumento di rilevazione
Per confermare che non si trattasse di un artefatto teorico, gli scienziati hanno lasciato precipitare gli atomi verso un dispositivo di rilevamento. Durante la discesa, le differenti possibilità di percorso si sono sovrapposte generando un fenomeno caratteristico della fisica quantistica: l’interferenza. È lo stesso meccanismo che dimostra come una particella possa manifestare anche proprietà ondulatorie. Quando queste alternative si intersecano, producono una traccia identificabile nei dati sperimentali.
L’elio selezionato dal gruppo presenta anche un beneficio tecnico rilevante. Gli atomi utilizzati nell’esperimento si trovano in uno stato eccitato che consente agli studiosi di registrarli con notevole accuratezza quando raggiungono il rivelatore. Praticamente riescono a ricostruire con precisione la loro posizione finale e il momento lineare. Questo elemento è cruciale, poiché l’esperimento mira specificamente a dimostrare che il movimento delle due particelle rimane correlato quantisticamente.
I risultati hanno fornito evidenze convincenti. Le misurazioni hanno evidenziato una violazione della disuguaglianza di Bell, uno strumento matematico celebre perché consente di differenziare la meccanica quantistica dalle interpretazioni classiche basate su variabili predeterminate. In termini semplici: i dati ottenuti dal gruppo indicano che gli atomi non seguivano semplicemente un programma nascosto prestabilito. La loro connessione era autentica e di natura quantistica.
Per questa ragione lo studio viene interpretato come un progresso importante. La fisica quantistica ha già rivelato numerose volte i suoi aspetti più paradossali. Questa volta però tali aspetti emergono in un sistema composto da atomi dotati di massa, quindi in un contesto che si adatta meglio a future verifiche sulla gravitazione. È un salto qualitativo. Il paradosso cessa di rimanere limitato alla luce o alle caratteristiche intrinseche delle particelle e si manifesta nel loro spostamento spaziale.
Il concetto di base è facile da esprimere ma estremamente complesso da indagare. Se un atomo può seguire molteplici percorsi quantistici e ciascun percorso può risentire della gravità in modo lievemente differente, diventa inevitabile interrogarsi su come descrivere questa situazione nell’ambito della relatività generale. La risposta definitiva rimane ancora da trovare. Proprio per questo motivo esperimenti di questo tipo assumono rilevanza: costruiscono il collegamento gradualmente, senza promesse irrealistiche e senza omettere passaggi fondamentali.
Il percorso rimane esteso. Gli stessi studiosi precisano che per eliminare una delle principali vulnerabilità sperimentali, il cosiddetto locality loophole, saranno necessarie distanze superiori tra gli atomi e apparecchiature più complesse. Attualmente il rivelatore presenta dimensioni contenute. Espandere questo schema a una scala maggiore richiederà anni di impegno e risorse economiche considerevoli. L’orientamento tuttavia è definito.
Esiste anche uno sviluppo futuro che affascina particolarmente gli scienziati. Il team aspira a creare entanglement tra isotopi differenti, come elio-3 ed elio-4, che presentano masse distinte. Una verifica di questo genere potrebbe contribuire a testare in chiave quantistica il principio di equivalenza, uno dei concetti fondamentali della relatività generale. A quel punto la distanza tra l’universo di Einstein e quello dei quanti si ridurrebbe ulteriormente. Per il momento rimangono atomi raffreddati che precipitano, si suddividono in molteplici possibilità e lasciano la fisica di fronte alla sua antica frattura.
Fonte: Nature