Il paradosso dei gemelli studiato con approccio quanto-meccanico

In una recente pubblicazione sulla rivista Science Advances, scienziati della Leibniz University di Hannover e della Ulm University hanno effettuato degli studi sul paradosso dei gemelli, derivante dalla teoria della relatività speciale di Einstein

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Una delle sfide fondamentali della fisica è quella di individuare un legame tra la teoria della relatività di Einstein e la meccanica quantistica. La necessità di mettere in discussione questi due pilastri della fisica moderne sorge, per esempio, dagli eventi cosmici ad alta energia, che per il momento possono essere spiegati solo da una delle due teorie, ma non da entrambe contemporaneamente. I ricercatori stanno quindi cercando delle alternative alle leggi della meccanica quantistica e della relatività che possano aprire spiragli verso nuovi campi della fisica.

In una recente pubblicazione sulla rivista Science Advances, scienziati della Leibniz University di Hannover e della Ulm University hanno effettuato degli studi sul paradosso dei gemelli, derivante dalla teoria della relatività speciale di Einstein. Si tratta di un esperimento mentale che riguarda due gemelli: mentre uno dei due viaggia nello spazio, l’altro rimane sulla Terra. Di conseguenza, per un certo periodo di tempo, i gemelli si muovono nello spazio secondo orbite differenti. Quando i due gemelli si incontrano il risultato è veramente sorprendente: il gemello che ha viaggiato nello spazio è invecchiato di meno rispetto a quello che è rimasto sulla Terra.

Questo fenomeno viene spiegato dalla descrizione di Einstein della dilatazione del tempo: poiché il moto relativo di due orologi dipende dalla velocità e dal campo gravitazione in cui si trovano gli orologi stessi, essi scansionano il tempo con velocità diverse.

Nella spiegazione del loro lavoro, gli autori hanno impostato una variante quanto-meccanica del paradosso dei due gemelli, considerandone solo uno. Grazie al principio di sovrapposizione della meccanica quantistica, il singolo gemello può muoversi contemporaneamente lungo due percorsi.

Nell’esperimento mentale dei ricercatori, il gemello è rappresentato da un orologio atomico. Gli orologi atomici utilizzano le proprietà quantistiche degli atomi per misurare il tempo con estrema precisione.

Quindi lo stesso orologio atomico è un oggetto quanto-meccanico e, grazie al principio di sovrapposizione, può muoversi attraverso lo spazio-tempo su due percorsi simultaneamente. Per concretizzare sperimentalmente questa situazione, i ricercatori hanno sviluppato uno scenario sperimentale sulla base di un modello di fisica quantistica.

Attraverso un interferometro atomico, rappresentato da una fontana atomica alta 10 metri (costruita alla Leibniz University di Hannover), e con l’uso di oggetti quantistici come l’orologio atomico, i ricercatori possono testare alcuni effetti relativistici – come la dilatazione del tempo descritta dal paradosso dei gemelli.

In uno degli esperimenti svolti, è stato inviato un orologio atomico dentro l’interferometro e ci si è quindi chiesto sotto quali condizioni sarebbe possibile misurare la differenza dei tempi al termine dell’esperimento, durante il quale l’orologio atomico si trova simultaneamente in due orbite diverse.

Il lavoro teorico preliminare dei fisici di Ulm e Hannover è molto promettente. Come descritto, è stato sviluppato un modello di fisica quantistica per l’interferometro atomico, che influenza l’interazione tra i raggi laser e gli atomi, nonché il movimento degli atomi – prendendo anche in considerazione le correzioni relativistiche.

Questo modello permette di descrivere un orologio atomico che si muove simultaneamente lungo due percorsi in una sovrapposizione di spazi.

Inoltre, l’obiettivo dell’esperimento è quello di dimostrare che un interferometro atomico, come quello costruito ad Hannover, può misurare l’effetto, su un orologio atomico, della dilatazione dei tempi della relatività speciale. Basandosi sulle loro considerazioni teoriche, i ricercatori possono quindi affermare che un singolo orologio atomico si comporta proprio come previsto nel paradosso dei gemelli.

Pertanto, in questo scenario, la teoria della relatività e la meccanica quantistica sembrano trovare dei punti di accordo. Altri gruppi di ricerca hanno considerato l’influenza della gravità, che però non sembra essere verificabile in un’ipotesi sperimentale di questo tipo.

L’esperimento, così come descritto teoricamente, sarà testato con il nuovo interferometro atomico di Hannover nel giro di qualche anno. In pratica, ci si attende che le scoperte derivanti da questo esperimento possano migliorare la applicazioni basate sugli interferometri atomici quali la navigazione, o misure di accelerazione e rotazione.

Fonte: Phys.org