I mattoni con cui è costruito l’edificio della teoria della relatività generale sono ora noti con una precisione senza precedenti grazie a una serie di esperimenti finalizzati nell’anno che si è appena chiuso da Guglielmo Tino e colleghi del Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare (LENS) dell’Università di Firenze e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
L’ultimo risultato in ordine di tempo, descritto in un articolo apparso in questi giorni sulle “Physical Review Letters” è la prima misurazione diretta della curvatura del campo gravitazionale prodotta da masse vicine.
La prima misura diretta della curvatura del campo gravitazionaleIllustrazione del campo gravitazionale terrestre: la massa della Terra deforma il tessuto dello spazio-tempo. Il nuovo studio ha misurato per la prima volta in modo diretto la “curvatura” del campo indotta da una piccola massa.
“In termini più precisi abbiamo misurato per la prima volta la derivata seconda, cioè la variazione del gradiente, del campo gravitazionale rispetto alla posizione, che corrisponde alla curvatura: questa quantità fisica è sensibile alla presenza di masse vicine”, ha spiegato Tino a “Le Scienze”. “Il 2014 è stato un anno particolarmente proficuo per il nostro gruppo che, avendo sviluppato dei nuovi sensori quantistici atomici, ha misurato dapprima il valore della costante di gravitazione universale G con una precisione senza precedenti, poi verificato il principio di equivalenza, cioè l’uguaglianza tra la massa inerziale e la massa gravitazionale, e infine rivelato la curvatura del campo gravitazionale: si tratta essenzialmente di misure di precisione che verificano la nostra conoscenza della fisica della gravitazione, e quindi sostanzialmente della relatività generale, che attualmente è la teoria che descrive meglio l’interazione gravitazionale”.
In quest’ultimo esperimento, l’apparato sperimentale era sostanzialmente un’evoluzione dell’apparato MAGIA, utilizzato nella misurazione di G. In esso, nuvole di atomi di rubidio ultrafreddi, cioè raffreddati alla temperatura di pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto utilizzando luce laser, vengono lanciate verso l’alto nel vuoto all’interno di una “fontana atomica”. In cima a quest’ultima, è posta una massa di tungsteno di circa 500 chilogrammi, che ha la funzione di “massa sorgente”, che produce la curvatura cercata.
La prima misura diretta della curvatura del campo gravitazionaleIl professor Tino con il dott. Rosi (a sinistra), coautore dello studio, di fronte all’apparato MAGIA (Cortesia Guglielmo Tino)
Grazie alla tecnica d’interferometria atomica, in modo analogo a quanto si fa con le tecniche interferometriche ottiche, si può rilevare l’interferenza tra due onde di materia di un atomo, precedentemente separate tra loro da impulsi laser. La presenza del campo gravitazionale modifica il segnale di interferenza atomica.
“Con l’apparato MAGIA è possibile misurare l’accelerazione degli atomi durante la caduta nel vuoto: la differenza rispetto al passato consiste nel fatto che in questo caso abbiamo lanciato tre nuvole invece di due”, ha continuato Tino. “Così abbiamo potuto misurare simultaneamente l’accelerazione dei loro atomi: sottraendone a due a due i valori si elimina il contributo di g, cioè dell’accelerazione di gravità, che è uguale per tutti, trovando il contributo della sua derivata prima, cioè del gradiente, mentre sottraendo tra loro le tre differenze si elimina anche l’effetto del gradiente, evidenziando così il contributo della derivata seconda, cioè del gradiente del gradiente, legata alla curvatura”.
Il risultato dimostra ancora una volta come questi nuovi sensori quantistici atomici consentano di misurare con estrema precisione i parametri fondamentali della gravitazione, e Tino e il suo gruppo hanno già in mente ulteriori sviluppi su questa linea di ricerca.
“Uno dei possibili esperimenti che ho proposto da tempo è la verifica della dipendenza dall’inverso del quadrato della distanza della legge di gravitazione di Newton, che è una legge fondamentale della fisica classica: con gli stessi strumenti di base, cioè atomi ultrafreddi e interferometria atomica, si potrebbe verificare se vale in modo rigoroso a piccole distanze o se ci sono delle deviazioni, o spingere ancora oltre la verifica del principio di equivalenza; stiamo anche studiando la possibilità di rivelare le onde gravitazionali con interferometri atomici a terra o nello spazio”, ha aggiunto Tino. “Da non sottovalutare inoltre che con i nostri esperimenti stiamo testando il campo gravitazionale con misurazioni quantistiche: potrebbero emergere utili indicazioni sul rapporto tra la fisica quantistica e la relatività generale, due teorie che notoriamente risultano impossibili da mettere insieme”.
Ma s’intravedono anche possibili applicazioni pratiche dei nuovi risultati.
“Le misure di gravità sono molto utilizzate nel campo delle prospezioni geologiche, per la ricerca di giacimenti sotterranei o la previsione delle eruzioni vulcaniche, perché la gravità permette di ‘vedere’ sotto terra’, quindi proprio questo potrebbe essere un campo di applicazione dei nostri risultati ”, ha concluso Tino. “D’altra parte le misure sono così accurate che si potrebbe pensare a una sorta di analogo gravitazionale del meta detector, un ‘mass detector’ capace di rivelare le masse dietro a una parete”.