Oltre Einstein: come la meccanica quantistica sta cercando di riscrivere la legge di gravità

Per quasi un secolo, la nostra visione dell'universo è stata dominata da quella di un gigante della Fisica: Albert Einstein. Con la sua Teoria della Relatività Generale, Einstein ci ha spiegato elegantemente che la gravità non è una forza attrattiva invisibile tra le masse, ma una deformazione geometrica della trama dello spazio-tempo, rappresentabile come un telo elastico che si curva sotto l'azione delle grandi masse dei pianeti, delle stelle, delle galassie e di tanti altri corpi massicci.

Eppure, questa visione bellissima è ancora incompleta. Esiste un altro pilastro della fisica, la Meccanica Quantistica, che descrive il mondo microscopico con la sua natura caotica e probabilistica. Il problema? La Relatività e la Meccanica Quantistica ancora non si parlano.

La ricerca di una "lingua comune"

Questa frattura è il problema più grande della fisica moderna. Da molti anni, le menti più brillanti del pianeta cercano di capire se anche la gravità possa trovare un'intesa con le "leggi" degli atomi. Tra i protagonisti di questa sfida troviamo Vlatko Vedral e Chiara Marletto, fisici teorici dell'Università di Oxford.

Vedral, noto per i suoi contributi pionieristici sull'informazione quantistica, collabora da anni con la Marletto, esperta di teoria costruttiva, per definire cosa sia possibile o impossibile nella fisica. Insieme a Sougato Bose (University College of London), hanno dato vita al protocollo BMV (dalle iniziali di Bose, Marletto e Vedral).

Si tratta del culmine di decenni di studi sulla natura dell'informazione e sulla struttura profonda della realtà.

L'esperimento: far "intrecciare" due masse

Un esperimento che sembra uscito da un laboratorio di fantascienza nasce dall'idea che due minuscoli oggetti (nanostrutture) possano essere messi in uno stato di "sovrapposizione", cioè che debbano trovarsi "collegati in due posti contemporaneamente".

Immaginiamo di avere queste due minuscole masse immerse in una sorta di piscina ideale dello spazio-tempo. Per capire se la gravità è quantistica, i ricercatori propongono di mettere queste "particelle" in uno stato di sovrapposizione in un ambiente completamente schermato da qualsiasi altra possibile sollecitazione che possa metterle in sovrapposizione o influre su di essa.

Se la gravità fosse soltanto una curva passiva dello spazio, come immaginava Einstein, queste due masse non potrebbero mai scambiarsi informazioni complesse, perché una semplice curvatura geometrica non ha la capacità di trasmettere segnali quantistici.

Questo legame è un fenomeno controintuitivo, dove ciò che accade a un oggetto influenza istantaneamente l'altro, a prescindere dalla distanza. Questo fenomeno esiste e non solo è stato provato sperimentalmente, ma viene utilizzato nei computer quantistici.

Tuttavia, nella fisica classica, le due masse non potrebbero mai "intrecciarsi" solo grazie alla gravità, proprio perché una curva spazio-temporale non può trasportare informazione quantistica. È come cercare di far parlare due persone senza alcun mezzo di comunicazione, dove la sincronizzazione è semplicemente impossibile.

In questo caso, quel segnale invisibile svelerebbe la natura quantistica della gravità stessa.

È un momento storico, perché per la prima volta abbiamo un metodo, un esperimento per provare a svelare un segreto che è rimasto celato per un secolo (se c'è). In tutto il mondo si stanno verificando e sviluppando tecnologie tanto sensibili da poter effettuare questo esperimento, che è ancora "la frontiera" e purtroppo non un risultato già acquisito.

La gravità che respinge: il paradosso quantistico

Di recente, Vedral e Marletto, lavorando con Pablo Saldanha, hanno esplorato un'idea ancora più audace: la gravità repulsiva. In fisica quantistica, una particella non occupa un punto preciso, ma è spalmata in una nuvola di posizioni possibili, su onde di probabilità. Quando due di queste "nuvole" interagiscono, la forza gravitazionale non è una spinta unica, ma la somma di migliaia di possibilità che accadono contemporaneamente.

Nella maggior parte dei casi queste possibilità si sommano producendo la classica forza di attrazione, ma in rarissimi casi le onde si combinano in modo tale da annullarsi a vicenda, lasciando emergere una spinta verso l'esterno (negativa).

Tengono conto soltanto quella minuscola frazione di risultati in cui, per una pura combinazione statistica, le masse si sono respinte, si potrebbe capire e isolare l'antigravità. In pratica, si tratterebbe di usare "un filtro" per isolare quei rari momenti in cui, nel caos quantistico, la gravità mostra un volto diverso.

Perché tutto questo conta?

La gravità è una forza debolissima, infatti la forza magnetica di un comune magnete da frigo è immensamente più forte dell'attrazione gravitazionale esercitata dall'intera Terra su una clip. Misurarla a livello quantistico è come cercare di sentire il respiro di una formica durante un concerto rock.

Se ci riuscissimo, però, questo cambierebbe la nostra storia. Avremmo in mano la "chiave" per capire come "manipolare" la forza che regge l'intero universo. Passare dalla semplice osservazione alla capacità di influenzare la gravità quantistica sarebbe, per l'umanità, un salto di paradigma paragonabile a quello che portò dalla scoperta dell'elettricità alla nascita dei supercomputer.

Significherebbe completare il capolavoro relativistico di Enstein e svelare l'universo.

Fonte:

Bose, S., et al. (2017) e Marletto, C. & Vedral, V. (2017), pubblicati su Physical Review Letters. Lavoro di Saldanha, Marletto & Vedral (2024).