Quanto è generale la teoria della relatività generale

Che si tratti di piuma, mela o mattone: nel vuoto, quando non c'è più attrito e agisce solo la gravità, tutti i corpi cadono alla stessa velocità. La teoria della relatività generale di Einstein, in particolare il principio di equivalenza, lo prevede e corrisponde all'attuale modello del mondo della fisica. Eppure ci sono dubbi – almeno per quanto riguarda gli estremi. Gli esperimenti nello spazio con sensori quantistici dovrebbero ora portare chiarezza.

«A livello cosmico, le leggi della gravità non spiegano perché l'universo si sia evoluto come lo conosciamo», dice Andreas Wicht, responsabile del gruppo di lavoro di metrologia laser presso l'Istituto Ferdinand-Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). «E per quanto riguarda il livello microscopico, sotto i cento micrometri, non esiste affatto una verifica sperimentale della validità della legge di gravità, come la conosciamo.»

Verificare la validità del principio di equivalenza a livello atomico è l'obiettivo del progetto congiunto QUANTUS III, a cui partecipano le università di Hannover, Amburgo, Ulm, Mainz, Darmstadt, Brema e l'HU di Berlino, oltre al FBH. «In concreto, ci chiediamo: gli atomi di rubidio cadono alla stessa velocità di quelli di potassio?», spiega Wicht. Con il suo team, presso il FBH, sviluppa la piattaforma tecnologica laser per un cosiddetto interferometro atomico, un sensore quantistico che dovrebbe essere utilizzato nello spazio nel prossimo futuro.

Già dagli anni '80 del Novecento vengono condotti esperimenti di «caduta atomica» su scala da laboratorio. Tuttavia, le differenze di velocità di caduta ipotizzate sono così minime – al massimo si trovano alla decima cifra decimale – che sono necessari tempi di misurazione molto lunghi per misure sufficientemente sensibili. Solo nello spazio si possono raggiungere. Tuttavia, i tavoli di misura di circa 2 x 2 metri sono troppo ingombranti. Dal metà degli anni '90, il Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) finanzia quindi esperimenti e tecnologie correlate. Sono stati già realizzati esperimenti sul parabolico di Brema, che con un'altezza di circa 100 metri permette una caduta libera di quattro secondi in un tubo sottovuoto. «Qui si è potuto dimostrare che l'esperimento funziona in linea di principio. Ma il tempo di misurazione è ancora troppo breve.»

Come funziona l'«esperimento di caduta»? «Gli atomi fungono quasi da sensori», spiega Wicht. In assenza di gravità, gli atomi insieme alla strumentazione si trovano praticamente in caduta libera. Prima si riduce al minimo il movimento termico degli atomi di entrambe le specie con impulsi di luce di frequenza determinata, fino a fermarli quasi, perché vengono raffreddati quasi fino allo zero assoluto. Con altri impulsi laser, gli atomi vengono manipolati in modo che si trovino in stati specifici, descrivibili solo con mezzi della fisica quantistica, motivo per cui sono chiamati sensori ottici quantistici. Tuttavia, l'effetto degli impulsi laser e quindi il risultato del sensore ottico quantistico dipendono molto sensibilmente dalla frequenza e dalla fase degli impulsi luminosi. Se ora gli atomi di queste due specie venissero accelerati in modo diverso, la frequenza e la fase degli impulsi laser dovrebbero essere adattate diversamente per entrambe, in modo da compensare l'effetto Doppler risultante da questa diversa accelerazione. «È importante misurare questa differenza, se esiste», spiega Wicht.

Al FBH è stato sviluppato il «set di strumenti di luce» per questo scopo, una sorta di organo di luce sincronizzato composto da diversi laser a banda stretta spettrale, microspecchi e altri componenti ottici miniaturizzati. «Possiamo integrare due di questi chip su un supporto ceramico. Intorno vengono costruite le micro-ottiche», racconta Wicht. «L'intero sistema laser sarà composto da sei o otto di questi moduli e, in termini di volume, sarà circa 1000 volte più piccolo di un prodotto convenzionale.» Verrà sigillato ermeticamente, con solo il fibra ottica che porta alla camera di prova che sporge all'esterno.

Nel parabolico di Brema, il sistema ha già dimostrato la sua idoneità per il volo spaziale. Nell'aprile 2015, seguiranno esperimenti su un razzo a volo in quota, che salirà a circa 100 chilometri. Prima di rientrare nell'atmosfera terrestre, ci sarà una finestra di sei minuti di microgravità per l'esperimento. Successivamente, tali esperimenti saranno condotti su un satellite o sulla stazione spaziale ISS.

Un impegno piuttosto grande, solo per mettere in discussione Einstein, o no? Ride Wicht. «Potrebbe sembrare. Ma quando si sviluppò il GPS, non si sarebbe mai pensato che oggi fosse disponibile in ogni smartphone. E così, al di là dell'esperimento atomico, la tecnologia dei sensori quantistici potrebbe non diventare un'applicazione quotidiana, ma almeno una applicazione tecnica speciale.» Oltre alle misurazioni di velocità e accelerazione, si possono effettuare anche misurazioni di densità e localizzazioni molto precise sulla Terra.

Il governo britannico ha recentemente investito 270 milioni di sterline nella commercializzazione dei sensori quantistici. Mentre oggi per una localizzazione precisa è necessario accedere a un satellite GPS, che potrebbe fallire, i sensori quantistici navigano senza GPS, richiedendo solo un punto di riferimento noto. Diversamente dal GPS, funzionano anche in profondità negli oceani, da sottomarini. «Il secondo grande campo di applicazione sarà l'esplorazione», aggiunge Wicht. «Le atomi nel sensore «cadono» più velocemente sopra i giacimenti di minerali rispetto alla roccia normale. Si possono anche esplorare giacimenti di petrolio e livelli di falde acquifere.»

Il Regno Unito investe, gli USA pianificano esperimenti sulla ISS – e cosa fa la Germania? Il comitato di programma per le tecnologie ottiche ha identificato, nell'ambito dell'Agenda Photonik 2020 per il BMBF, la sensoristica quantistica come tecnologia promettente per il futuro. «Ma è carta», dice Wicht. «Quello di cui abbiamo bisogno alla fine sono soldi per ulteriori ricerche, una decisione politica.» Per ora, la Germania si trova in buona posizione, perché il DLR sostiene questi lavori. «Ma dobbiamo stare attenti a non perdere la nostra buona posizione.»

Per gli studiosi di base come Andreas Wicht, il commercio non è la priorità. A loro interessa la pura fisica. Albert Einstein probabilmente si sarebbe divertito a sapere che la Terra non basta a cogliere i limiti delle sue idee geniali.