Per la prima volta dei ricercatori hanno misurato la dilatazione temporale indotta da un campo gravitazionale su un sistema quantistico. La misura è stata raggiunta con un esperimento di interferometria atomica. Ma a cosa serve tutto ciò?
Che cos’è una dilatazione temporale e come misurarla
La dilatazione temporale, conosciuta anche come curvatura dello spaziotempo, è uno dei concetti più affascinanti e vertiginosi introdotti dalla teoria generale della relatività di Albert Einstein. Com’è noto, il nostro Einstein ci dimostrò che il tempo non è una categoria assoluta. Ciò significa che il caro e buon vecchio tempo scorre in modo diverso a seconda della velocità di chi lo misura e della sua distanza da una sorgente gravitazionale. Ecco cosa intendiamo per dilatazione: una contrazione del tempo come diretta conseguenza della curvatura dello spaziotempo. Sugli atomi la dilatazione rappresenta il rallentamento del tempo causato dall’aumento della velocità o dalla forza gravitazionale.
Anche se la teoria di Einstein dello spaziotempo, con le sue possibili dilatazioni, è un fatto, fino a oggi abbiamo trattato questo concetto con timore e troppi sospetti. Lo abbiamo accettato ma mai “toccato” con mano.
Perché misurare la curvatura dello spaziotempo
La misura esatta di questa dilatazione può aprire la strada a misurazioni gravitazionali ancora più precise, fondamentali per l’evoluzione della ricerca e lo sviluppo di nuove applicazioni tecnologiche.
Nel passato la scienza ha già offerto molte conferme sperimentali sulla dilatazione del tempo. La più importante di queste ricerche è quella sul decadimento dei muoni, ovvero particelle prodotte dai raggi cosmici e nei grandi acceleratori di particelle. Furono Bruno Rossi e David B. Hall nel 1940, grazie a un esperimento storico, a evidenziare per primi la dilatazione temporale nel decadimento dei muoni prodotti per effetto dell’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre.
Ma c’è un altro precedente da considerare. Nel lontano 1797, lo scienziato inglese Henry Cavendish misurò la forza di gravità con un aggeggio fatto in casa. Una specie di bilancia composta con sfere di piombo, bacchette di legno e filo. Una nuova versione di quello strumento è servito nel 2022 per studiare gli atomi.
La fontana atomica
Un gruppo di fisici di Stanford ha dunque misurato gli effetti della dilatazione del tempo sugli atomi. In un articolo, pubblicato a metà gennaio sulla rivista Science, i ricercatori hanno annunciato di essere stati in grado di misurare la curvatura dello spaziotempo.
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L’esperimento si sviluppa nel campo chiamato interferometria atomica e sfrutta un principio cardine della meccanica quantistica, cioè la rappresentabilità dell’onda luminosa come una particella e viceversa. Proprio come le onde luminose, anche le onde di atomi (gravitazionali) possono sovrapporsi e creare interferenze.
Studiando le particelle in questo modo, gli scienziati sono riusciti a mettere a punto dei calcoli che rispondono a meccanismi chiave dell’Universo, come il comportamento degli elettroni e la forza della gravità, e soprattutto come essa cambia sottilmente anche su distanze relativamente piccole.
Per fare ciò, c’è stato bisogno di uno strumento ad hoc: una “fontana atomica“, costituita da un tubo a vuoto alto dieci metri con un anello fissato sulla parte superiore.
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I ricercatori hanno studiato i movimenti della fontana mentre la bombardavano con impulsi laser. Così i ricercatori hanno scoperto che le onde si muovevano sfasate a due gruppi: segno che il campo gravitazionale nella fontana atomica non era completamente uniforme.
