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Le spie dello spazio-tempo STAMP - Università

Firenze – Un significativo passo avanti nella comprensione dello spazio-tempo e della sua natura microscopica. Sono stati pubblicati dalla rivista scientifica Nature Communications i primi risultati di HUMOR (Heisenberg Uncertainty Measured with Opto-mechanical Resonators), il primo esperimento ad aver ideato e realizzato un modo completamente nuovo di sondare lo spazio – tempo a dimensioni estremamente piccole (“Probing deformed commutators with macroscopic harmonic oscillators”, DOI: 10.1038/ncomms8503).

L’esperimento è frutto della collaborazione tra il Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare (LENS) e il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Firenze, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), le Università Trento e Camerino e la Fondazione Bruno Kessler.

“I continui progressi della Fisica permettono di conoscere sempre più a fondo l’Universo, e anche di disporre di nuove tecnologie, ma allo stesso tempo ci pongono di fronte a domande sempre nuove. – spiega Francesco Marin, docente di Fisica della Materia al Dipartimento di Astronomia, associato a INFN, LENS e CNR-Istituto Nazionale di Ottica – La principale questione aperta della Fisica è conciliare le due teorie fisiche di maggior successo, la relatività generale di Einstein e la fisica quantistica, che funzionano perfettamente, ma entro ambiti completamente diversi. La relatività generale spiega la gravitazione e l’Universo a grande scala, astronomica e cosmologica, e allo stesso tempo ci ha permesso di realizzare GPS precisissimi; la fisica quantistica spiega l’universo alla scala microscopica, su distanze atomiche (al di sotto di un miliardesimo di metro) o ancora più piccole, e la sua comprensione è alla base di tutti i dispositivi elettronici che usiamo quotidianamente.”

“Però – prosegue Marin – nessuno sa come fare quando si devono applicare le due teorie contemporaneamente, ad esempio quando si deve spiegare cosa succede attorno ad un buco nero. O meglio, esistono tantissime teorie che aspirano a realizzare tale unificazione e a divenire la “teoria del tutto”, ma nessuna di esse è convincente e soprattutto non è chiaro come possa essere verificata sperimentalmente.”

“Un aspetto comune di queste teorie – racconta il ricercatore –  è che lo spazio-tempo cambi natura, diventi “granuloso”, su lunghezze estremamente piccole, detta “scala di Planck” (10-35 metri, ovvero miliardi di miliardi di volte più piccole di un nucleo atomico). Le strade più comuni per realizzare il “microscopio” in grado di vedere su queste scale ultra-piccole sono quella di far scontrare particelle ad energie sempre più elevate, come si fa al CERN, oppure osservando con sonde o telescopi fenomeni astrofisici ad alta energia.”

“L’importanza fondamentale dell’esperimento HUMOR  – spiega ancora Marin – consiste nell’essere il primo ad aver ideato e realizzato un modo completamente nuovo di sondare lo spazio-tempo a queste dimensioni estreme: usando esperimenti “da tavolo”, a bassissime energie, però in grado di effettuare misure di spostamenti e tempi con una precisione elevatissima.”

Misurando con grande precisione con dei laser e/o sensori elettromagnetici le microscopiche vibrazioni di oscillatori di diverse dimensioni e masse, da qualche nanogrammo fino a qualche milligrammo, i ricercatori di HUMOR hanno in pratica realizzato “microspie” sensibilissime in grado di ascoltare il flebile rumore delle fluttuazioni dello spazio-tempo. Questi strumenti non hanno ancora osservato una granulosità dello spazio-tempo, ma il lavoro ha suscitato grande interesse: molti scienziati sono al lavoro per migliorare la strumentazione e spingersi a scale sempre più piccole.

“La strada per una chiara comprensione del tessuto spazio-temporale che ci circonda è ancora lunga, – conclude il ricercatore – ma i risultati attuali possono già essere utilizzati per verificare le previsioni delle teorie che mirano ad unificare gravità e fisica quantistica, costituendo un importante punto di riferimento e di partenza per l’analisi sperimentale di queste problematiche.”

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