In un interessante ricerca scientifica* alcuni fisici hanno calcolato al millimetro la differenza di tempo trascorso tra chi vive in cima alle montagne e chi, invece, vive nei fondovalle.

È stato infatti scoperto che il tempo scorre in modo diverso tra la parte superiore e quella inferiore di una singola nuvola di atomi. 

I fisici sperano che tale scoperta si tradurrà un giorno nella costruzione di un sistema li aiuterà a conciliare la meccanica quantistica e la teoria della gravità di Einstein, attualmente non compatibili.

Il tempo non scorre allo stesso modo per tutti

Il famoso paradosso dei gemelli prende in considerazione un astronauta che effettua un viaggio spaziale velocissimo. Quando torna per riunirsi con il suo gemello, scopre che è invecchiato molto più velocemente di lui. È un risultato noto ma sconcertante: il tempo rallenta se ti muovi velocemente.

La gravità fa la stessa cosa. La Terra – o qualsiasi altro corpo massiccio – deforma lo spazio-tempo in un modo che rallenta il tempo, secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein.

Se una persona vivesse al livello del mare e un’altra in cima all’Everest, dove l’attrazione gravitazionale della Terra è leggermente più debole, invecchierebbe di nuovo più velocemente. 

La differenza di tempo che si riscontra sulla Terra è modesta, ma reale, ed è stata misurata mettendo orologi atomici sulle cime delle montagne e nei fondovalle.

Incompatibilità tra relatività e meccanica quantistica

La relatività generale descrive uno spazio-tempo in cui gli oggetti hanno proprietà ben definite e si muovono in modo prevedibile da un luogo all’altro. Nella teoria quantistica, al contrario, un oggetto può trovarsi in una “sovrapposizione” di molte proprietà contemporaneamente, oppure può saltare improvvisamente in una posizione particolare. 

Queste due teorie descrivono bene i rispettivi ambiti di realtà, ma sono incompatibili se prese insieme, in ambiti per i quali sono necessarie entrambe le descrizioni, come, per esempio, il centro di un buco nero o l’Universo subito dopo il Big Bang, dove sono importanti sia la gravità sia il mondo microscopico.

Quindi cosa succede quando sia la meccanica quantistica sia la relatività sono necessarie per descrivere un fenomeno?

Consideriamo un oggetto massiccio che viene messo in una sovrapposizione di due possibili posizioni contemporaneamente. La relatività generale dice che qualsiasi oggetto con massa dovrebbe piegare il tessuto dello spazio-tempo. Ma cosa succede se quell’oggetto è in una sovrapposizione? Anche la geometria dello spazio-tempo è in sovrapposizione?

Orologi per dirimere la questione

Per rispondere a tale quesito, i fisici sono sempre alla ricerca di sistemi in cui sia la gravità sia la meccanica quantistica sono importanti. 

Alcuni orologi sono sicuramente uno dei sistemi più promettenti per testare questo tipo di caratteristiche, perché sono a cavallo del confine tra la meccanica quantistica e la relatività. Ci dicono il tempo, che è un concetto intrinsecamente relativistico, ma sono anche quantistici: il modo in cui gli elettroni si spostano da un livello energetico a un altro è passando attraverso una sovrapposizione di essi in entrambi i livelli.

Nell’esperimento della ricerca*, il team ha utilizzato un orologio reticolare ottico, una nuvola di 100.000 atomi di stronzio che può essere stimolata da un laser. 

Se la frequenza del laser è giusta, gli elettroni che orbitano attorno a ciascun atomo sono eccitati a un’orbita più alta e più energetica. 

Poiché solo una piccola gamma di frequenze laser stimola gli elettroni a muoversi, la misurazione di questa frequenza fornisce una misurazione del tempo estremamente precisa. È come un orologio a pendolo quantistico, dove il ticchettio proviene dalle oscillazioni della luce laser piuttosto che dall’oscillazione di un pendolo.

Misurata la differenza di tempo

I ricercatori hanno diviso il loro orologio in due: hanno guardato la nuvola di atomi su una fotocamera, dividendola in due parti immaginarie attorno alla metà, una superiore e una inferiore. 

Hanno quindi confrontato la frequenza dei ticchettii della metà superiore e di quella inferiore, scoprendo che il tempo ‘vissuto’ dagli atomi nella parte superiore della nuvola è dello 0,00000000000000001% più breve del tempo ‘vissuto’ da quelli nella parte inferiore.

Il modo con il quale hanno misurato lo spostamento, confrontando due parti della stessa nuvola, ha permesso loro di eliminare molto rumore che era comune a entrambe le parti. È come misurare una barca a vela in mare agitato: anche se oscilla su e giù in modo imprevedibile, la distanza tra la chiglia e l’albero rimarrà sempre costante. 

Allo stesso modo, un orologio fatto di una nuvola di atomi può andare ‘alla deriva’ a causa di diverse cause – campi elettrici, campi magnetici, la luce laser stessa, calore dall’ambiente – ma la differenza di frequenza tra la parte superiore e quella inferiore della nuvola rimane la stessa. E la misura di quella differenza ha rivelato l’effetto della gravità.

*Potete consultare l’articolo relativo alla ricerca in pre-print: https://arxiv.org/abs/2109.12238