i Fisici negli USA e in Germania hanno usato due principi fondamentali della meccanica quantistica per eseguire un’alta precisione del test di Einstein teoria della relatività generale., I ricercatori hanno sfruttato la dualità onda-particella e la sovrapposizione all’interno di un interferometro atomico per dimostrare che un effetto noto come redshift gravitazionale – il rallentamento del tempo vicino a un corpo massiccio – è fedele a una precisione di sette parti in un miliardo. Il risultato è importante nella ricerca di una teoria della gravità quantistica e potrebbe avere implicazioni pratiche significative, come il miglioramento dell’accuratezza dei sistemi di posizionamento globale.
Il redshift gravitazionale segue il principio di equivalenza alla base della relatività generale., Il principio di equivalenza afferma che gli effetti locali della gravità sono gli stessi di quelli di essere in un quadro accelerato di riferimento. Quindi la forza verso il basso avvertita da qualcuno in un ascensore potrebbe essere ugualmente dovuta a un’accelerazione verso l’alto dell’ascensore o alla gravità. Gli impulsi di luce inviati verso l’alto da un orologio sul pavimento dell’ascensore saranno Doppler spostati, o redshifted, quando l’ascensore sta accelerando verso l’alto, il che significa che questo orologio apparirà ticchettare più lentamente quando i suoi lampi sono confrontati al soffitto dell’ascensore ad un altro orologio., Poiché non c’è modo di distinguere gravità e accelerazione, lo stesso vale in un campo gravitazionale; in altre parole maggiore è l’attrazione gravitazionale sperimentata da un orologio, o più è vicino a un corpo massiccio, più lentamente ticchetterà.
La conferma di questo effetto supporta l’idea che la gravità sia una manifestazione della curvatura spazio–temporale perché il flusso del tempo non è più costante in tutto l’universo ma varia in base alla distribuzione dei corpi massicci., Rafforzare l’idea di curvatura spazio–temporale è importante quando si distingue tra diverse teorie della gravità quantistica perché ci sono alcune versioni della teoria delle stringhe in cui la materia può rispondere a qualcosa di diverso dalla geometria dello spazio–tempo.,
Universalità della caduta libera
Il redshift gravitazionale, tuttavia, come manifestazione dell’invarianza di posizione locale (l’idea che il risultato di qualsiasi esperimento non gravitazionale sia indipendente da dove e quando nell’universo viene effettuato) è il meno ben confermato dei tre tipi di esperimento che supportano il principio di equivalenza. Le altre due, l’universalità della caduta libera e l’invarianza di Lorentz locale, sono state verificate con precisioni di 10-13 o superiori, mentre il redshift gravitazionale era stato precedentemente confermato solo con una precisione di 7 × 10-5., Ciò è stato ottenuto nel 1976 registrando la differenza nel tempo trascorso misurata da due orologi atomici – uno sulla superficie della Terra e l’altro inviato fino a un’altitudine di 10.000 km in un razzo.
Questo tipo di misurazione del redshift è limitato dal grado di attrazione gravitazionale fornito dalla massa terrestre., La nuova ricerca, condotta da Holger Müller della University of California Berkeley, Achim Peters della Humboldt University di Berlino e Steven Chu, in precedenza a Berkeley ma ora segretario all’energia degli Stati Uniti, è limitata allo stesso modo ma riesce ad aumentare drasticamente la precisione grazie a un orologio ultrafine fornito dalla meccanica quantistica.,
Nel 1997 Peters usò tecniche di intrappolamento laser sviluppate da Chu per catturare gli atomi di cesio e raffreddarli a pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto (al fine di ridurre la loro velocità il più possibile), e poi usò un raggio laser verticale per impartire un calcio verso l’alto agli atomi al fine di misurare la caduta libera gravitazionale.
Ora, Chu e Müller hanno reinterpretato i risultati di quell’esperimento per dare una misura del redshift gravitazionale.
Nell’esperimento ciascuno degli atomi è stato esposto a tre impulsi laser., Il primo impulso ha posto l’atomo in una sovrapposizione di due stati ugualmente probabili – lasciandolo solo a decelerare e poi ricadere sulla Terra sotto la forza di gravità o dandogli un calcio in più in modo che raggiungesse un’altezza maggiore prima di scendere. Un secondo impulso è stato quindi applicato al momento giusto in modo da spingere l’atomo nel secondo stato più velocemente verso la Terra, causando l’incontro dei due stati di sovrapposizione durante la discesa., A questo punto il terzo impulso misurava l’interferenza tra questi due stati causata dall’esistenza dell’atomo come onda, l’idea era che qualsiasi differenza nel redshift gravitazionale come sperimentato dai due stati esistenti ad altezze diverse sopra la superficie terrestre sarebbe manifesto come un cambiamento nella fase relativa dei due stati.
Frequenza enorme
La virtù di questo approccio è la frequenza estremamente elevata dell’onda di de Broglie di un atomo di cesio – circa 3 × 1025 Hz. Anche se durante la 0.,3 s di caduta libera la materia onde sulla traiettoria più alta vissuto un tempo di soli 2 × 10-20 s più di onde a bassa traiettoria di fatto, l’enorme frequenza di oscillazione, combinato con la capacità di misurare le differenze di ampiezza di una sola parte in 1000, ha fatto sì che i ricercatori sono stati in grado di confermare il redshift gravitazionale di una precisione di 7 × 10-9.,
Come dice Müller, “Se il tempo di caduta libera fosse esteso all’età dell’universo – 14 miliardi di anni – la differenza di tempo tra le vie superiore e inferiore sarebbe di un millesimo di secondo, e la precisione della misurazione sarebbe di 60 ps, il tempo necessario alla luce per viaggiare di circa un centimetro.”
Questa estrema precisione potrebbe diventare utile man mano che i sistemi di posizionamento globale diventano sempre più accurati., Come sottolinea Müller, per determinare la posizione di un oggetto a terra con precisione millimetrica, gli orologi atomici dei satelliti GPS dovrebbero operare con una precisione di 10-17, cifra raggiunta di recente da un orologio sviluppato presso il National Institute of Standards and Technology negli Stati Uniti (vedi “New optical clock breaks accuracy record”). Ma all’altitudine dei satelliti di 20.000 km, tali orologi sperimenteranno un’accelerazione del tempo di circa una parte nel 1010 grazie al redshift gravitazionale., Recuperare la precisione di 10-17 richiederebbe quindi di conoscere l’effetto redshift con una precisione di 10-7.
Müller spera di migliorare ulteriormente la precisione delle misure di redshift aumentando la distanza tra i due stati di sovrapposizione degli atomi di cesio. La distanza raggiunta nella ricerca attuale era di soli 0,1 mm, ma, dice, aumentando questo a 1 m dovrebbe essere possibile rilevare onde gravitazionali, minuscole increspature nel tessuto dello spazio–tempo previsto dalla relatività generale ma mai osservato prima.
Il lavoro è descritto in Nature 463 926.,