Alcuni ricercatori camerinesi coinvolti nel gruppo internazionale di ricerca del progetto HUMOR (Heisenberg Uncertainty Measured with Opto-mechanical Resonators), hanno ideato e realizzato un modo completamente nuovo di “ascoltare” lo spazio-tempo su una scala di grandezze fisiche estremamente ridotta (scala di Planck).
HUMOR è frutto di una collaborazione tra Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy (LENS), Università di Camerino, di Firenze, di Trento e Fondazione Bruno Kessler.
Per l’Università di Camerino, in particolare, è coinvolto il gruppo di ricerca guidato dal prof. David Vitali, della sezione di Fisica della Scuola di Scienze e Tecnologie, con alcuni suoi collaboratori, tra cui Giovanni Di Giuseppe e Riccardo Natali, insieme con giovani ricercatori quali Mateusz Bawaj, Ciro Biancofiore, Federica Bonfigli.
I primi importati risultati, che sono stati recentemente pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica internazionale «Nature communications», possono già essere utilizzati per verificare le previsioni di alcune teorie che mirano a unificare la relatività di Einstein e la meccanica quantistica, teorie che – come sostengono i nostri ricercatori – funzionano perfettamente, ma entro ambiti completamente diversi. È questa la principale questione aperta in Fisica. La relatività generale spiega la gravitazione e l’universo a grande scala, astronomica e cosmologica (e allo stesso tempo ha permesso di realizzare GPS precisissimi); la fisica quantistica spiega l’universo alla scala microscopica, su distanze atomiche (al di sotto di un milionesimo di millimetro) o ancora più piccole, e la sua comprensione è alla base di tutti i dispositivi elettronici che si usano quotidianamente.
Però nessuno sa come applicare le due teorie contemporaneamente, ad esempio quando si deve spiegare cosa succede attorno a un buco nero. Un’ipotesi plausibile, che HUMOR e altri esperimenti si propongono di verificare, è che lo spazio-tempo cambi natura, diventi “granuloso”, su lunghezze estremamente ridotte.
L’esperimento HUMOR è basato su oscillatori micro-meccanici molto raffinati, costruiti con la micro-litografia su wafer di silicio (tecnica simile a quelle usate per costruire microprocessori per computer), di spessore nanometrico o micrometrico (millesimi o milionesimi di un millimetro).
Questi oscillatori sono raffreddati fino a pochi Kelvin, appena al di sopra dello zero assoluto (che corrisponde a –273,15 gradi Celsius, cioè 0 Kelvin ed è una temperatura fisicamente irraggiungibile), per limitare le vibrazioni indotte dal calore.
In questo modo, si raggiunge una purezza di oscillazione molto elevata: quando eccitati, gli oscillatori possono vibrare più di un milione di volte, prima che l’ampiezza di oscillazione diminuisca significativamente. I movimenti sono misurati con fasci laser e sensori elettrostatici a basso rumore, con sensibilità allo spostamento comparabile alla taglia dei nuclei atomici.
L’obiettivo è misurare quanto rimanga stabile il periodo di oscillazione durante il moto, anche ad ampiezze di oscillazione relativamente grandi. Diverse teorie, che cercano di unificare in una descrizione unitaria sia la relatività generale che la meccanica quantistica, prevedono che debba avvenire un cambiamento del periodo di oscillazione di qualche parte su un milione quando l’oscillatore esplora, durante il suo moto, regioni di spazio più ampie, come se la molla dell’oscillatore si irrigidisca.
L’apparato sperimentale permette di misurare cambiamenti nel periodo di oscillazione, anche di qualche parte su un miliardo, prima che l’ampiezza di oscillazione arrivi a valori tali che la struttura del materiale (silicio cristallino e nitruro di silicio), di cui sono composti gli oscillatori, sia stressata al punto di rispondere in maniera “irregolare” e quindi tale da mascherare qualsiasi effetto attribuibile al cambiamento della meccanica quantistica dovuto alla gravità.
In ogni caso, i risultati dell’esperimento HUMOR migliorano i precedenti limiti superiori agli effetti dovuti alla gravità quantistica (cioè al parametro che fissa fino a che punto la meccanica quantistica tradizionale dovrebbe essere deformata) di molti ordini di grandezza. Per esempio, il limite dell’atomo di idrogeno, ottenuto con spettroscopia di precisione, era più di 20 ordini di grandezza meno stringente.
Di fatto HUMOR è il primo esperimento progettato per studiare possibili effetti di gravità quantistica e i suoi risultati cominciano a essere significativi.