Testare la relatività di Einstein dallo spazio utilizzando la fisica quantistica

Chi cadrà più velocemente nel vuoto, il martello o la piuma? In realtà, questa domanda nasconde un principio antico, formulato ai tempi di Galileo, divenuto il caposaldo della stessa Teoria generale della relatività AAlbert Einstein : Il principio di equivalenza. Entrambi i fisici concordano sul fatto che, qualunque sia la loro natura e massa, tutti gli oggetti cadono allo stesso modo!

Tuttavia, nella ricerca di nuove teorie per comprendere il nostro universo, questo principio può venire messo in discussione. La sfida è per la fisica sperimentale: testare questo principio con sempre maggiore precisione, utilizzando oggetti di masse e composizioni diverse. Lo sviluppo delle tecnologie quantistiche permette oggi di immaginare di sperimentare questo principio nello spazio, a bordo di un satellite, utilizzando nubi di atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. A'Esperimento sul ghiaccio Serve come dimostrazione a terra di queste future missioni spaziali.

[Un article issu de The Conversation par Célia Pelluet, Post-doctorante au Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences en Interférométrie atomique pour l’espace, Université Paris-Saclay]

Il principio di equivalenza da Galileo a Einstein

All'inizio del XVII secolo^H Nel XX secolo, lo scienziato Galileo immaginò la caduta di due corpi con masse diverse in un ambiente privo di attrito. L’idea prevalente a quel tempo era che gli oggetti pesanti fossero attratti dalla Terra più di quelli leggeri. Notò però un paradosso: se leghiamo questi due oggetti con una corda, l'oggetto più pesante dovrebbe accelerare la caduta dell'oggetto più leggero. Pertanto il tutto deve cadere più velocemente del solo corpo di luce. Possiamo anche supporre che l'oggetto più leggero rallenti la caduta del secondo, rendendo il sistema più lento. La caduta sarà quindi accelerata o rallentata?

L’unica soluzione che sembra ragionevole è il pareggio. Anche se ci piace immaginare che il fisico italiano mettesse alla prova il suo principio dalla cima della famosa Torre di Pisa, i suoi primi test del principio di equivalenza furono in realtà condotti su piani inclinati nel suo laboratorio.

Più di 400 anni dopo, Albert Einstein sfruttò questo principio nella sua teoria della relatività generale, concludendo che tutti i sistemi di riferimento erano equivalenti. Questa equivalenza rende impossibile per un osservatore in un ascensore in accelerazione distinguere tra una caduta dovuta alla gravità e un'accelerazione di altra natura. Da allora le previsioni della relatività generale sono state verificate con successo sperimentalmente, in particolare attraverso l'osservazione diretta delle onde gravitazionali nel 2015.

Tuttavia, la relatività generale non è l’unica teoria a trionfare nell’ultimo secolo. La meccanica quantistica, che esplora il mondo su scala atomica, ha rivoluzionato la nostra comprensione dell’universo. Sebbene queste teorie non siano in competizione, la loro formalità è fondamentalmente diversa, ed esiste ancora l’idea di unificarle in un quadro comune. Tuttavia, alcuni dei modelli previsti prevedono una violazione del principio di equivalenza, sottolineando l’importanza di esperimenti più precisi per confermare – o confutare! – Questa possibilità.

Tecniche quantistiche per la verifica del principio di equivalenza

Per testare con precisione questo principio sono necessari tempi di caduta molto lunghi e un ambiente incontaminato che solo lo spazio può garantire. Confrontando l'accelerazione sperimentata dai blocchi di prova in titanio e platino in caduta libera in un satellite per diversi mesi, la missione spaziale microscopio (2016-2018) ha permesso di verificare l’universalità della caduta libera con una precisione standard di 15 cifre decimali. Dopo questi blocchi “classici”, il team sperimentale dell’ICE esegue questo test utilizzando nubi di atomi, confrontandone l’accelerazione. L'utilizzo di questi atomi permette di aumentare la sensibilità della misura, in particolare sfruttando il carattere assoluto della misura quantistica: gli atomi consentono la misura senza deviazione di accelerazione nel tempo.

A tale scopo nella camera degli esperimenti viene creato un vuoto molto elevato (meno di un milionesimo della pressione atmosferica!). Gli atomi di rubidio e potassio vengono rilasciati in questo ambiente isolato dai disturbi esterni e vengono intrappolati utilizzando la luce laser la cui lunghezza d'onda è controllata con grande precisione. Grazie alla conoscenza dell'interazione tra luce e atomi, la deformazione termica all'interno della nuvola di atomi intrappolati può essere ridotta a temperature equivalenti solo a poche decine di nanokelvin, molto vicine allo zero assoluto. Una volta lanciati, la loro caduta può essere studiata mediante accelerometri utilizzando metodi noti come interferometria atomica.

A basse temperature la materia si comporta come un'onda: possiamo immaginarla come onde sulla superficie dell'oceano. Quando due pacchetti d'onda si incontrano, interferiscono e producono uno schema periodico in cui le onde si annullano o si sommano. Le proprietà di questi modelli dipendono in gran parte dal percorso che le due onde seguono prima di incontrarsi, rendendolo un metodo di misurazione molto accurato. Gli atomi quindi ci forniscono un modo accurato e assoluto per misurare l’accelerazione.

CARIOQA: Una missione spaziale quantistica per studiare la gravità

Per dimostrare la fattibilità di questo tipo di dispositivi sperimentali nello spazio, si stanno effettuando campagne di misura a bordo di un velivolo a gravità zero: un vero e proprio laboratorio volante che permette di produrre 22 secondi di assenza di gravità effettuando traiettorie paraboliche nel cielo. Questa piattaforma unica in Europa ha consentito lo sviluppo di tali accelerometri atomici con misurazione simultanea di entrambi i tipi di atomi e Dimostrare l'inclusione nello spazio di queste tecniche.

Sta emergendo un obiettivo a lungo termine: Porta questi sensori quantistici a bordo di un satellite Realizzare una versione quantistica dell'esperimento al microscopio. Come primo passo, il primo accelerometro atomico che utilizzi un unico tipo deve essere sviluppato e testato in orbita. Questo è lo scopo della missione Carioca Il che mira a dimostrare la fattibilità della tecnologia. Questo nuovo toolkit quantistico consente inoltre la visualizzazione di attività di mappatura della gravità più precise, dati preziosi per gli scienziati del clima. Quest’ultimo, infatti, utilizza i dati di gravità per studiare la distribuzione delle masse d’acqua sulla Terra e monitorare il livello del mare, lo scioglimento dei ghiacciai, i flussi idrologici, ecc.

Questi strumenti derivanti dalle rivoluzioni quantistiche non si limitano a rivelare i segreti delle leggi fondamentali dell’universo. Sono anche alleati essenziali per affrontare le enormi sfide dei prossimi decenni.