Al LIGO, un oggetto con massa effettiva di 10 Kg sfiora lo zero Kelvin

Gli scienziati hanno usato gli specchi dell’osservatorio statunitense LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) per sfiorare un limite quantistico. Un oggetto con una massa effettiva pari a 10 Kg è stato raffreddato fino a sfiorare lo zero Kelvin. In precedenza, una temperatura tanto prossima allo zero assoluto era stata raggiunta solo da oggetti di scala nanometrica. L’esperimento è senza precedenti e dona la speranza di riuscire, non solo a migliorare la rilevazione di onde gravitazionali, ma anche di capire i collegamenti mancanti tra la fisica del mondo macroscopico e le leggi quantistiche.

Zero Kelvin: la temperatura più bassa raggiungibile nell’universo

Lo zero Kelvin, o zero assoluto, rappresenta la temperatura più bassa raggiungibile nell’intero universo. In fisica, la temperatura è definita come la misura dell’energia cinetica delle particelle e i pacchetti quantizzati di vibrazioni termiche di atomi e molecole sono detti fononi. Maggiore il movimento vibratorio, più alta la temperatura rilevata.

Seguendo questo ragionamento, si può definire lo zero Kelvin come la temperatura alla quale la materia è immobile. Tuttavia, la meccanica quantistica, sulla base del principio di indeterminazione di Heisenberg, afferma che la totale assenza di movimento non è possibile. Si dice, quindi, che lo zero Kelvin corrisponde allo stato di moto fondamentale della materia (motional ground state), ovvero la minima quantità di movimento che la materia possa possedere.

L’importanza dell’esperimento

L’esperimento effettuato è un grande passo verso la diminuzione del divario esistente tra la meccanica quantistica e la relatività generale. Mentre la prima spiega il comportamento della materia su scala microscopica, ossia dell’ordine di grandezza degli atomi o inferiore, la teoria di Einstein descrive la gravità e il comportamento dell’universo su scala molto ampia. Ad oggi, entrambe le teorie sono individualmente valide, ma sembrano essere scollegate.

Lacune e contraddizioni non consentono ancora di possedere una conoscenza univoca e completa della nostra realtà. Il moto di un oggetto meccanico, anche di grandezza comparabile all’essere umano, dovrebbe poter essere spiegato anche tramite leggi quantistiche, ma queste risultano non osservabili nel mondo macro.

La decoerenza quantistica

La meccanica quantistica contempla fenomeni molto particolari. Tra gli esempi più noti, ricordiamo come un oggetto quantistico possa essere contemporaneamente onda e particella (pensiamo alla luce) e l’apparente possibilità per una particella di trovarsi contemporaneamente in due posti differenti. Questi fenomeni, però, non sono osservabili su scala macroscopica, nonostante tutti i corpi esistenti siano formati da atomi e molecole. Gli scienziati illustrano questa discrepanza con il concetto di decoerenza.

Le cause

Quando il calore o le vibrazioni dell’ambiente interagiscono con un sistema quantistico in osservazione causano la distruzione del suo stato quantico. Questo fa sì che il sistema si comporti come un comune oggetto solido. Per questo si parla di decoerenza.

L’osservatorio LIGO è strutturato in modo da aggirare l’ostacolo grazie ad un perfetto isolamento da calore e vibrazioni. Qual è il problema allora? Ebbene, un’ipotesi indica la possibilità che la decoerenza si manifesti anche a causa della gravità. Sarebbe proprio questo il motivo per cui, fino ad oggi, non è stato possibile condurre sperimentazioni usando oggetti con massa importante.

Il rilevamento delle onde gravitazionali presso l’osservatorio LIGO

LIGO è la sigla che identifica l’osservatorio statunitense di onde gravitazionali, dotato di una strumentazione così sensibile da poter rilevare minime “increspature” dello spazio-tempo. Le onde gravitazionali possono essere causate dalla collisione di buchi neri o cataclismi coinvolgenti stelle di galassie lontane. L’effetto sull’osservatorio è un movimento minimo, con un ordine di grandezza molto minore di quello di un protone.

Il rilevamento delle onde gravitazionali è possibile grazie alla luce laser. I raggi laser percorrono tunnel molto lunghi e, durante il loro cammino, vengono riflessi da due paia di specchi di 40 Kg l’uno. Questo consente di dar luogo ad interferenza ed ottenere, quindi, un pattern. Anche una minima variazione della distanza tra gli specchi provoca il cambiamento dell’intensità luminosa del pattern di interferenza ottenuto. Gli specchi costituiscono il cuore del sistema di feedback del detector.

L’idea

Questa volta gli scienziati hanno cambiato il modo di sfruttare i quattro specchi. Normalmente, come spiegato sopra, il laser è usato per rilevare ogni minima variazione della distanza tra le superfici riflettenti dovuta ad un’increspatura dello spazio-tempo o onda gravitazionale. In questa sperimentazione, invece, il laser è stato sfruttato per monitorare meticolosamente il movimento vibratorio del sistema di specchi mentre questi venivano raffreddati.

Al LIGO si raggiunge la perfezione

Gli specchi sono il cuore del sistema di feedback del LIGO. Per questo sono sempre controllati meticolosamente, in modo che tutti e quattro vibrino quasi in perfetta sincronia. Gli studiosi spiegano che il sistema è realizzato in modo che la differenza di movimento tra essi sia equivalente al movimento vibratorio di un singolo specchio di soli 10 Kg, un fatto che è dimostrabile anche matematicamente.

Questo implica che le variazioni di intensità luminosa osservate equivalgano a quelle che sarebbero osservabili usando un solo specchio di 10 Kg. Inoltre, sono garantiti l’isolamento da tutte le possibili vibrazioni dell’ambiente circostante, come anticipato in precedenza, e la compensazione dell’effetto del rimbalzo del laser su di essi.

La temperatura degli specchi è davvero appena sopra lo zero Kelvin?

Per il principio descritto nel paragrafo precedente, il sistema può essere ridotto ad un unico specchio di 10 Kg. Nel seguito, ci riferiamo ad esso come “specchio equivalente”. La temperatura dello specchio equivalente, per la definizione stessa di temperatura, è data dal moto di tutti gli atomi e molecole che lo costituiscono. Di fatto, quanto viene misurato è il moto medio di tutti gli atomi costituenti, cioè il moto del centro di massa (centre-of-mass motion).

I possibili movimenti degli atomi sono tanti quanti sono essi stessi. Durante il raffreddamento, però, l’unico moto particolare che viene rallentato è quello che vede le particelle muoversi tutte insieme. Il risultato? Mentre i quattro specchi rimangono tiepidi al tatto, il moto medio del sistema equivalente di 10 Kg è effettivamente a 77 nanokelvin.

Come è possibile raffreddare fino a temperature tanto prossime allo zero Kelvin ?

Per raggiungere temperature prossime allo zero Kelvin è possibile agire rallentando le vibrazioni delle particelle, così da ridurre il numero di fononi. E’ proprio così che hanno operato al LIGO. Inizialmente gli scienziati hanno sparato un raggio laser nel detector ottenendo un certo pattern, costituente il feedback dello stato degli specchi. In un secondo momento, hanno applicato un campo elettromagnetico così da rallentarne la vibrazione.

Il contributo dell’Australia: la squeezed light

I membri del centro di ricerca di onde gravitazionali australiano, OzGrav, hanno contribuito progettando, installando nel detector e testando il sistema quantum squeezed light. Questo sistema utilizza uno speciale cristallo per produrre coppie di fotoni entangled. Questo ha permesso di creare un campo elettromagnetico ad hoc da usare durante l’esperimento. E’ stato possibile diminuire il “rumore”, che in questo caso è lo stesso moto dello specchio equivalente.

A cosa serve raffreddare fino a temperature prossime allo zero Kelvin?

Come sappiamo, allo zero Kelvin i fononi raggiungono il limite quantistico noto come motional ground state. Sappiamo, inoltre, che corpi di qualsiasi dimensione sono formati da atomi. La vibrazione termica delle particelle cancella la “firma” che gli effetti quantistici lasciano sul moto dei corpi. In altre parole, i fononi rendono le leggi quantistiche indistinguibili su scala macroscopica. Addirittura, essi rendono impossibile rilevare delle variazioni quantistiche appositamente provocate in sede sperimentale. Gli scienziati spiegano che il portare oggetti di massa considerevole vicino allo zero Kelvin, poiché permette di ridurre al minimo i fononi delle particelle costituenti, è il solo modo per porre i corpi macro al confine del regno quantistico.

Grande soddisfazione e prospettive future

“E’ come fosse il dondolio di bambini su altalene: tu ti opponi ad esso fino a fermarlo”, afferma soddisfatto C. Whittle del MIT, uno dei membri del team autore dell’esperimento. Gli scienziati sono soddisfatti e ne hanno ben ragione, dato che sono riusciti a ridurre il numero medio di fononi da circa 10 trilioni in un dato momento a meno di 11. Per il futuro si prospetta l’esecuzione di simili esperimenti in luoghi differenti, così da testare il sistema e cercare di trovare le vere cause della decoerenza quantistica.