Tutte le forze fondamentali dell’universo sono note per seguire le leggi della meccanica quantistica, tranne una: la gravità. Trovare un modo per inserire la gravità nella meccanica quantistica porterebbe gli scienziati ad un gigantesco passo avanti verso una “teoria del tutto” che potrebbe spiegare interamente il funzionamento del cosmo dai primi principi. Un primo passo cruciale in questa ricerca per sapere se la gravità è quantistica è quello di rilevare la particella elementare della gravità, il gravitone, a lungo ipotizzata. Alla ricerca del gravitone, i fisici si stanno rivolgendo a esperimenti che coinvolgono superconduttori microscopici, cristalli in caduta libera e il bagliore del big bang.
La meccanica quantistica suggerisce che tutto è fatto di quanti, o pacchetti di energia, che possono comportarsi sia come particelle che come onde – per esempio, i quanti di luce sono chiamati fotoni. Rilevare i gravitoni, gli ipotetici quanti di gravità, proverebbe che la gravità è quantistica. Il problema è che la gravità è straordinariamente debole. Per osservare direttamente i minuscoli effetti che un gravitone avrebbe sulla materia, ha notato il fisico Freeman Dyson, un rivelatore di gravitoni dovrebbe essere così massiccio da collassare su se stesso per formare un buco nero.
“Uno dei problemi con le teorie della gravità quantistica è che le loro previsioni sono di solito quasi impossibili da verificare sperimentalmente”, dice il fisico quantistico Richard Norte della Delft University of Technology in Olanda. “Questo è il motivo principale per cui esistono così tante teorie concorrenti e perché non abbiamo avuto successo nel capire come funziona effettivamente.”
Nel 2015, tuttavia, il fisico teorico James Quach, ora all’Università di Adelaide in Australia, ha suggerito un modo per rilevare i gravitoni sfruttando la loro natura quantistica. La meccanica quantistica suggerisce che l’universo è intrinsecamente confuso – per esempio, non si può mai conoscere assolutamente la posizione e la quantità di moto di una particella allo stesso tempo. Una conseguenza di questa incertezza è che il vuoto non è mai completamente vuoto, ma invece ronza con una “schiuma quantistica” di cosiddette particelle virtuali che entrano ed escono costantemente dall’esistenza. Queste entità fantasma possono essere qualsiasi tipo di quanti, compresi i gravitoni.
Decenni fa, gli scienziati hanno scoperto che le particelle virtuali possono generare forze rilevabili. Per esempio, l’effetto Casimir è l’attrazione o la repulsione vista tra due specchi posti vicini nel vuoto. Queste superfici riflettenti si muovono a causa della forza generata da fotoni virtuali che ammiccano dentro e fuori dall’esistenza. Ricerche precedenti hanno suggerito che i superconduttori potrebbero riflettere i gravitoni più fortemente della materia normale, così Quach ha calcolato che la ricerca di interazioni tra due sottili fogli superconduttori nel vuoto potrebbe rivelare un effetto Casimir gravitazionale. La forza risultante potrebbe essere circa 10 volte più forte di quella prevista dall’effetto Casimir standard basato sui fotoni virtuali.
Di recente, Norte e i suoi colleghi hanno sviluppato un microchip per eseguire questo esperimento. Questo chip conteneva due microscopiche piastre rivestite di alluminio che sono state raffreddate quasi allo zero assoluto in modo da diventare superconduttive. Una piastra era attaccata a uno specchio mobile, e un laser veniva sparato su quello specchio. Se le piastre si muovevano a causa di un effetto Casimir gravitazionale, la frequenza della luce che si rifletteva sullo specchio si spostava in modo misurabile. Come dettagliato online il 20 luglio in Physical Review Letters, gli scienziati non sono riusciti a vedere alcun effetto Casimir gravitazionale. Questo risultato nullo non esclude necessariamente l’esistenza dei gravitoni – e quindi la natura quantistica della gravità. Piuttosto, può semplicemente significare che i gravitoni non interagiscono con i superconduttori così fortemente come il lavoro precedente ha stimato, dice il fisico quantistico e premio Nobel Frank Wilczek del Massachusetts Institute of Technology, che non ha partecipato a questo studio e non è stato sorpreso dai suoi risultati nulli. Anche così, dice Quach, questo “è stato un coraggioso tentativo di rilevare i gravitoni.”
Anche se il microchip di Norte non ha scoperto se la gravità è quantica, altri scienziati stanno perseguendo una varietà di approcci per trovare effetti quantici gravitazionali. Per esempio, nel 2017 due studi indipendenti hanno suggerito che se la gravità è quantistica potrebbe generare un legame noto come “entanglement” tra le particelle, in modo che una particella influenzi istantaneamente un’altra indipendentemente da dove entrambe si trovano nel cosmo. Un esperimento da tavolo che utilizza raggi laser e diamanti microscopici potrebbe aiutare a cercare tale entanglement basato sulla gravità. I cristalli sarebbero tenuti nel vuoto per evitare collisioni con gli atomi, quindi interagirebbero tra loro solo attraverso la gravità. Gli scienziati lascerebbero cadere questi diamanti allo stesso tempo, e se la gravità è quantistica, l’attrazione gravitazionale che ogni cristallo esercita sull’altro potrebbe aggrovigliarli insieme.
I ricercatori cercherebbero l’aggrovigliamento facendo brillare i laser nel cuore di ogni diamante dopo la caduta. Se le particelle nei centri dei cristalli ruotano in un modo, diventeranno fluorescenti, ma non se ruotano nell’altro modo. Se le rotazioni in entrambi i cristalli sono in sincronia più spesso di quanto il caso preveda, questo suggerirebbe l’entanglement. “Gli sperimentatori di tutto il mondo sono curiosi di raccogliere la sfida”, dice il ricercatore di gravità quantistica Anupam Mazumdar dell’Università di Groningen nei Paesi Bassi, coautore di uno degli studi di entanglement.
Un’altra strategia per trovare prove della gravità quantistica è guardare la radiazione cosmica di fondo a microonde, il debole bagliore del big bang, dice il cosmologo Alan Guth del M.I.T. I quanti come i gravitoni fluttuano come onde, e le lunghezze d’onda più corte avrebbero le fluttuazioni più intense. Quando il cosmo si è espanso vertiginosamente in dimensioni entro una scheggia di secondo dopo il big bang, secondo il modello cosmologico ampiamente supportato di Guth conosciuto come inflazione, queste brevi lunghezze d’onda si sarebbero allungate a scale più lunghe in tutto l’universo. Questa prova di gravità quantistica potrebbe essere visibile come vortici nella polarizzazione, o allineamento, dei fotoni della radiazione cosmica di fondo a microonde.
Tuttavia, l’intensità di questi modelli di vortici, conosciuti come B-modes, dipende molto dall’esatta energia e dai tempi dell’inflazione. “Alcune versioni dell’inflazione prevedono che questi B-modes dovrebbero essere trovati presto, mentre altre versioni prevedono che i B-modes siano così deboli che non ci sarà mai alcuna speranza di rilevarli”, dice Guth. “Ma se vengono trovati, e le proprietà corrispondono alle aspettative dell’inflazione, sarebbe una prova molto forte che la gravità è quantizzata.”
Un altro modo per scoprire se la gravità è quantica è cercare direttamente le fluttuazioni quantiche nelle onde gravitazionali, che si pensa siano costituite da gravitoni generati poco dopo il big bang. Il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha rilevato per la prima volta le onde gravitazionali nel 2016, ma non è abbastanza sensibile per rilevare le onde gravitazionali fluttuanti nell’universo primordiale che l’inflazione ha allungato a scale cosmiche, dice Guth. Un osservatorio di onde gravitazionali nello spazio, come il Laser Interferometer Space Antenna (LISA), potrebbe potenzialmente rilevare queste onde, aggiunge Wilczek.
In un documento recentemente accettato dalla rivista Classical and Quantum Gravity, tuttavia, l’astrofisico Richard Lieu dell’Università dell’Alabama, Huntsville, sostiene che LIGO dovrebbe già aver rilevato i gravitoni se portano tanta energia come suggeriscono alcuni modelli attuali della fisica delle particelle. Potrebbe essere che il gravitone abbia semplicemente meno energia del previsto, ma Lieu suggerisce che potrebbe anche significare che il gravitone non esiste. “Se il gravitone non esiste affatto, sarà una buona notizia per la maggior parte dei fisici, dal momento che abbiamo avuto un tempo così orribile nello sviluppo di una teoria della gravità quantistica”, dice Lieu.
Ancora, concepire teorie che eliminano il gravitone potrebbe non essere più facile che concepire teorie che lo mantengono. “Da un punto di vista teorico, è molto difficile immaginare come la gravità possa evitare di essere quantizzata”, dice Guth. “Non sono a conoscenza di nessuna teoria sensata su come la gravità classica potrebbe interagire con la materia quantistica, e non riesco a immaginare come una tale teoria potrebbe funzionare”.