Le teorie della relatività di Albert Einstein, pubblicate all’inizio del XX secolo, hanno cambiato radicalmente il modo in cui comprendiamo il tempo. Hanno rivelato che il tempo non è assoluto; invece, può essere influenzato dal movimento: in particolare, gli orologi che si muovono rapidamente o accelerano sperimentano un fenomeno noto come dilatazione del tempo, in cui ticchettano più lentamente rispetto agli orologi stazionari. Sebbene questo effetto sia stato osservato in oggetti relativamente grandi, i ricercatori stanno ora esplorando un nuovo modo per testarlo su scala incredibilmente piccola utilizzando atomi ultrafreddi e strutture basate sulla luce.
Preparare il terreno: dilatazione del tempo e fisica ultrafredda
La dilatazione del tempo non è solo una curiosità teorica; è una componente fondamentale della fisica moderna e ha implicazioni pratiche, come il funzionamento dei satelliti GPS, che devono tenere conto degli effetti relativistici per funzionare in modo accurato. La comprensione attuale è che più velocemente un oggetto si muove o maggiore è l’accelerazione che subisce, più il suo tempo rallenta rispetto a un osservatore fermo. Questo principio vale anche per il movimento circolare, nel senso che anche il movimento circolare può causare una dilatazione del tempo.
Per studiare questi effetti a livello quantistico, un team guidato da Vassilis Lembessis dell’Università King Saud sta sfruttando il potere della fisica ultrafredda. A temperature appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto – una temperatura incredibilmente bassa – le proprietà quantistiche di atomi e molecole diventano molto più controllabili. Manipolando con precisione atomi e molecole con laser e campi elettromagnetici, gli scienziati possono esplorare gli effetti della rotazione e dell’accelerazione con un dettaglio senza precedenti.
La “ruota panoramica ottica” e gli orologi quantistici
Nel 2007, Lembessis e i suoi collaboratori hanno aperto la strada a un metodo per intrappolare e ruotare gli atomi all’interno della forma di un cilindro utilizzando raggi laser attentamente sintonizzati. Hanno scherzosamente soprannominato questa struttura una “ruota panoramica ottica” e la loro ultima ricerca suggerisce che queste minuscole strutture potrebbero fornire una piattaforma ideale per osservare la dilatazione relativistica del tempo nel regno quantistico.
In particolare, i ricercatori propongono di utilizzare molecole di azoto come soggetti di prova. Considerano il movimento degli elettroni all’interno di queste molecole come un “orologio” interno. Osservando le molecole che ruotano all’interno della ruota panoramica ottica, sperano di rilevare piccoli cambiamenti nella “frequenza del ticchettio” – in sostanza, rilevando l’effetto della dilatazione del tempo. La potenziale accuratezza di queste misurazioni è sorprendente: i ricercatori mirano a rilevare cambiamenti piccoli quanto una parte su 10 quadrilioni.
Una nuova frontiera per i test di relatività
Sebbene il concetto di utilizzo di ruote panoramiche ottiche sia convincente, gli esperimenti che utilizzano queste configurazioni sono stati, finora, relativamente rari. Questa nuova proposta, quindi, apre le porte a un nuovo banco di prova per la relatività, dove potrebbero emergere effetti precedentemente inesplorati. La natura quantistica di queste particelle ultrafredde potrebbe persino mettere in discussione la fondamentale “ipotesi dell’orologio” – il presupposto che l’accelerazione di un oggetto influenzi direttamente il suo tempo percepito.
“È importante verificare e confermare la nostra comprensione dei fenomeni fisici in natura”, spiega Patrik Öhberg dell’Università Heriot-Watt. “È quando riceviamo una sorpresa, qualcosa di inaspettato, che dobbiamo rivedere la nostra comprensione e acquisire una comprensione più profonda dell’universo”.
Vantaggi e sfide
Uno dei principali vantaggi di questo approccio è che evita la necessità di velocità eccezionalmente elevate, tipicamente necessarie per osservare gli effetti relativistici. Aidan Arnold dell’Università di Strathclyde osserva: “Con l’incredibile precisione degli orologi atomici… il cambio di tempo “avvertito” dagli atomi della ruota panoramica dovrebbe essere evidente.” Inoltre, le brevi distanze percorse dagli atomi durante la loro rotazione fornirebbero ampie opportunità per misurazioni precise.
L’ambiente controllato della ruota panoramica ottica promette di svelare nuove intuizioni sull’interazione tra meccanica quantistica e relatività generale.
La ricerca non è priva di ostacoli. Una sfida tecnica significativa sarà quella di impedire il riscaldamento degli atomi o delle molecole, cosa che ne interromperebbe il movimento controllato e invaliderebbe l’esperimento. Tuttavia, gli scienziati ritengono che i potenziali benefici – una comprensione più profonda della relatività su scala quantistica – giustifichino lo sforzo. Controllando attentamente i raggi laser, è possibile regolare la dimensione della ruota panoramica e quindi la rotazione degli atomi, consentendo di testare l’effetto di dilatazione del tempo per diverse velocità di rotazione.
Il potenziale di questo approccio risiede nella sua capacità di mettere alla prova le basi stesse della nostra comprensione dello spazio e del tempo, rivelando nuove intuizioni sulle leggi fondamentali dell’universo.
