Osservare oltre i limiti dell’indeterminazione
Noi umani abbiamo scoperto la fisica al contrario. Abbiamo prima scoperto la fisica classica, la fisica che descrive il moto dei corpi, le onde elettromagnetiche, la propagazione del suono, la meccanica celeste e così via. In poche parole la fisica che riguarda i fenomeni a cui assistiamo nella vita di tutti i giorni.
Solo successivamente, grazie ai grandi sviluppi tecnologici che ci hanno permesso di osservare ciò che avviene alle scale atomiche e subatomiche, abbiamo scoperto i fenomeni sottostanti alla fisica classica. Abbiamo così scoperto la fisica quantistica, ovvero le leggi fondamentali da cui origina la fisica classica.
La natura dunque opera in senso contrario a quello che noi abbiamo fatto storicamente: la meccanica classica è un caso particolare della meccanica quantistica. Noi ci troviamo invece a partire da teorie di meccanica classica, e a esse adoperiamo delle procedure dette “quantizzazione” che ci forniscono la versione quantistica della teoria.
È un procedimento un po’ problematico (stiamo passando dal caso particolare al caso generale senza sapere realmente come sia fatto il caso generale!) ma ha funzionato straordinariamente bene e ha prodotto la teoria scientifica più precisa mai formulata dall’umanità.
È la teoria quantistica dei campi, applicata alla fisica delle particelle. Essa descrive le interazioni fondamentali dell’universo come interazioni mediate da particelle, le quali sono a loro volta fluttuazioni di campi quantistici.
Possiamo prendere ad esempio il campo elettromagnetico. Le sue fluttuazioni sono le onde elettromagnetiche, con cui abbiamo tutti familiarità: si tratta banalmente di quelle che usiamo per comunicare o anche della stessa luce grazie alla quale i nostri occhi sono in grado di vedere. Tali onde elettromagnetiche risultano ora quantizzate, ovvero sono composte da tante particelle elementari, in questo caso dette fotoni. I fotoni sono dunque le particelle che trasportano l’interazione elettromagnetica, e si ottiene così una teoria quantistica in grado sia di spiegare l’elettromagnetismo alle scale subatomiche, sia di riprodurre i risultati che si osservano a livello macroscopico in fisica classica.
Questo approccio ha funzionato benissimo per tutte le interazioni fondamentali eccetto la gravità. La quantizzazione del campo gravitazionale alle alte energie non funziona, e risolvere questo problema è oggi una delle più grandi sfide della fisica teorica.
La grande maggioranza dei fisici teorici oggi si aspetta che la gravità debba essere in un qualche modo anch’essa descritta da una teoria quantistica di campo, ma ancora non lo si è verificato. Se riuscissimo a osservare la particella ipotetica che media questa interazione, ovvero l’analogo gravitazionale del fotone, detto gravitone, avremmo una verifica sperimentale della natura quantistica della gravità.
Il 18 settembre 2015 in Louisiana, il progetto LIGO, con i suoi raggi laser lunghi 4 chilometri inizia per la prima volta nella storia a rilevare segnali di onde gravitazionali. L’interferometro utilizzato è concettualmente semplice (è lo stesso che usarono Michelson e Morley nel 1887 per dimostrare la non esistenza dell’etere), ma a livello ingegneristico è un capolavoro.
Le onde gravitazionali osservate si potrebbero pensare, esattamente come facciamo con i fotoni e le onde elettromagnetiche, come composte da gravitoni. Molti fisici iniziano allora a valutare la possibilità di usarle per verificare la natura quantistica della gravità.
Freeman Dyson, un celebre fisico teorico e allievo di Richard Feynman, conclude rapidamente che la cosa è impossibile. Uno dei principi cardine della meccanica quantistica è il principio di indeterminazione, il quale permette frequentemente di fare delle stime e di porre dei limiti alle grandezze che valutiamo.
Seguendo questa strada Dyson trova che LIGO, per osservare dei gravitoni, dovrebbe arrivare a un livello di precisione dell’ordine della lunghezza di Planck (1,6 x 10-35 metri, ovvero 16 con davanti 35 zeri).
Il problema fondamentale che incontra Dyson riguarda proprio l’idea di lavorare a queste distanze: due masse qualsiasi a queste distanze sono destinate a collassare in un buco nero, prima che la misura possa essere completata. Il risultato sorprendente è semplicemente figlio del principio di indeterminazione e di semplici relazioni fisiche fondamentali.
Tutti sanno che da un buco nero non esce nulla, e così non avendo nulla da rilevare l’osservazione risulta impossibile. La Natura ci sta vietando di guardare cosa succede alle scale in cui la natura quantistica delle onde gravitazionali diventa rilevante.
Dyson non si arrende e inizia a valutare altre opzioni, ma per un motivo o per un altro si dimostrano tutte impossibili. Una delle sue idee tuttavia è tutt’oggi in fase di discussione. Si tratta della possibilità di valutare l’eccitazione di un sistema quantistico dovuta alla collisione con un gravitone in un’onda gravitazionale. Fenomeni di questo genere in fisica prendono il nome di emissione stimolata.
Il laboratorio del professor Pikovski, allo Stevens Institute of Technology, ha proposto un esperimento simile. Il primo passo consiste nel portare una sbarra di circa 15 chilogrammi di Berillio, ben isolata, vicino allo zero assoluto di temperatura. La meccanica quantistica ci dice che la sua energia è quantizzata: ovvero divisa in livelli discreti.
A queste temperature tutti gli atomi del Berillio si troveranno nel loro livello energetico più basso. Un’onda gravitazionale interagente con il berillio può eccitarlo, facendolo salire al livello energetico appena superiore.
Dopodiché, ricevuta da LIGO (l’osservatorio di onde gravitazionali) la conferma che effettivamente è passata per la terra un’onda gravitazionale, si potrebbe concludere che l’eccitazione è stata causata dalla collisione tra un gravitone e gli atomi del berillio.
L’idea è in totale analogia con l’effetto fotoelettrico, che nel 1905 ha portato Einstein a introdurre il concetto di fotone.
Non tutti i fisici però ritengono che questo esperimento confermerebbe realmente l’esistenza dei gravitoni. L’effetto dell’emissione stimolata infatti, e questo è ben noto anche nel caso dei fotoni, non richiede realmente una teoria quantistica del campo gravitazionale.
È possibile descrivere perfettamente il fenomeno tramite quella che viene detta una teoria semiclassica. Semiclassico vuol dire che la materia (in questo caso la sbarra di berillio) si studia con la meccanica quantistica (e dunque come abbiamo visto i suoi livelli sono quantizzati), mentre il campo lo si tratta ancora classicamente.
Questo approccio funziona alla perfezione nella descrizione del fenomeno dell’emissione stimolata, e dunque anche osservando l’eccitazione del berillio non si potrebbe realmente concludere di aver visto un gravitone.
Per alcuni fisici l’esperimento è un indizio sufficiente della necessità di una teoria quantistica della gravità. Altri ritengono siano necessarie verifiche più stringenti, che siano segnali incontrovertibili dell’esistenza di un gravitone.
Si tratta tipicamente di osservare stati molto particolari, tipici della meccanica quantistica, detti stati squeezed. Ci sono però dei limiti tecnici nell’osservazione dei gravitoni in quei casi che rendono la cosa al momento impensabile.
La gravità quantistica dunque rimane un grande mistero. È un enorme sfida sia dal punto di vista teorico che dello sviluppo tecnologico.
Esperimenti di osservazione diretta di singoli gravitoni richiedono detector delle dimensioni della terra che operino per miliardi di anni, e spesso non sono possibili neanche su un piano ipotetico, per via dei problemi sottolineati da Dyson.
Esperimenti di emissione stimolata sono invece teoricamente spiegabili tramite un modello classico della gravità. Forse un gravitone non lo vedremo mai, e gli esperimenti di gravità quantistica richiederanno un approccio tutto nuovo.
La scoperta di nuove tecnologie, in particolare dei raggi X, è stata fondamentale per le rivoluzioni della fisica del secolo scorso. Di fronte a questa nuova grande sfida serviranno nuove invenzioni e nuove idee.
