Indagare la natura quantistica della gravità attraverso il momento angolare

Capire la natura della gravità è sempre stato difficile. Sappiamo che la gravità è debole rispetto ad altre forze, come l'elettricità o il magnetismo, il che rende complicato lo studio. Gli scienziati vogliono scoprire se la gravità si comporta secondo le regole della meccanica quantistica, che spiega le cose molto piccole come atomi e particelle, oppure se si comporta in modo classico, come fanno oggetti più grandi.

Per molto tempo, gli scienziati hanno proposto idee su come testare la gravità. Un'idea famosa viene da Richard Feynman, che ha suggerito di pensare a come una massa in uno stato speciale influenzasse un altro oggetto. All'epoca, era difficile pensare di testare queste idee perché non riuscivamo nemmeno a controllare bene i pezzetti piccoli come gli atomi, figuriamoci masse più grandi influenzate dalla gravità.

Negli ultimi anni, più scienziati si sono messi a studiare questo problema, soprattutto grazie ai progressi tecnologici. Per esempio, alcuni ricercatori hanno riflettuto su come una particolare collezione di atomi, nota come condensato di Bose-Einstein, potrebbe interagire con le particelle in modi che potrebbero mostrare collegamenti tra la gravità e la fisica quantistica.

Quando gli scienziati parlano di testare la gravità, devono concordare sul significato di "quantistico" e "classico." Un'interazione classica è quella in cui gli oggetti interagiscono senza le caratteristiche uniche della meccanica quantistica, come la condivisione di informazioni tramite operazioni locali. Al contrario, un'interazione quantistica consente scambi diversi tra le particelle, mostrando comportamenti più complessi.

#Proposte Attuali

La maggior parte dei test attuali si concentra su due idee principali: come interagiscono i centri di massa di due oggetti simmetrici, o come si comporta il movimento di oggetti asimmetrici nella gravità. Entrambi i metodi di solito trattano la gravità in modo non relativistico, utilizzando ciò che sappiamo dalle leggi di Newton. Tuttavia, testare la gravità usando questi metodi è complicato perché hai bisogno di masse grandi e condizioni specifiche che non sono facili da creare.

Questo documento vuole cambiare il modo in cui testiamo la gravità. Invece di guardare a come il centro di massa interagisce sotto la gravità, consideriamo come le parti rotanti di queste masse interagiscono. Pensiamo che le masse rotanti potrebbero portare a effetti interessanti che possono mostrare se la gravità ha caratteristiche quantistiche.

Questo nuovo approccio suggerisce che la massa degli oggetti non è così importante quanto il modo in cui ruotano. Anche quando non sono in uno stato speciale, gli oggetti rotanti possono comunque mostrare collegamenti. Vogliamo anche vedere quanto bene questo nuovo metodo può gestire gli errori provenienti dal rumore tipico che potrebbe disturbare l'esperimento.

#Setup

Immaginiamo di usare due piccoli oggetti rotondi, come sfere minuscole che non portano alcuna carica elettrica, sospese in aria e in grado di ruotare. Queste sfere ruotano attorno a un asse verticale, e le terremo a una distanza specifica.

L'energia del sistema è legata sia a quanto velocemente le sfere stanno ruotando sia a come la gravità le influenza. Il nuovo modo che proponiamo affronta questa idea utilizzando un mix di teorie esistenti insieme a nuove intuizioni riguardanti i movimenti rotatori e l'effetto della gravità.

Inizialmente, prepariamo le due sfere in uno stato specifico in cui ognuna ruota secondo un pattern particolare. Studiamo quindi come questi stati cambiano nel tempo mentre interagiscono tra loro a causa della loro rotazione e della gravità.

#Stati Iniziali e Costruzione di Collegamenti

Iniziamo con queste sfere preparate in un modo specifico. Per osservare come interagiscono, impostiamo un quadro matematico che ci consente di descrivere il loro stato nel tempo. L'aspetto chiave di questo quadro è il concetto di intanglement, dove due sistemi diventano collegati in modo tale che lo stato di uno non può essere descritto indipendentemente dallo stato dell'altro.

Vogliamo misurare quanto siano intrecciate queste due sfere mentre ruotano. Un metodo comune per valutare l'intanglement è attraverso un'idea chiamata Entropia di Von Neumann, che ci dà un valore numerico che ci dice quanto siano miscelati o intrecciati i sistemi.

#Effetti dell'Ambiente

Nel mondo reale, questi sistemi non sono isolati; molti fattori esterni possono disturbare gli stati delicati che creiamo. Per mantenere e testare l'intanglement, dobbiamo comprendere e ridurre gli effetti del rumore proveniente dall'ambiente.

Tre effetti principali che dobbiamo considerare includono:

1. Interazioni Magnetiche: Le sfere rotanti possono avere piccole interazioni magnetiche tra loro e con particelle circostanti, il che potrebbe interferire con il loro movimento e i loro stati.

2. Collisioni con Particelle d'Aria: Mentre le sfere ruotano, potrebbero collidere con particelle di gas nell'aria circostante. Anche una sola collisione potrebbe cambiare il loro stato e disturbare qualsiasi intanglement.

3. Radiazione da Corpo Nero: Quando gli oggetti sono caldi, emettono radiazione, e questo può disturbare anche i loro stati quantistici.

#Studi Dettagliati sugli Effetti del Rumore

#Interazioni Magnetiche

Per il tipo di sfere che pensiamo di usare, la maggior parte del materiale è fatta di silicio, che ha una quantità molto piccola di magnetismo intrinseco. Questo significa che il rumore magnetico creato da queste sfere è molto basso. Tuttavia, dobbiamo assicurarci che i fattori ambientali non introducano rumori significativi.

Per fare questo, possiamo utilizzare tecniche come la separazione isotopica, che minimizza l'influenza dei campi magnetici dei materiali usati nelle sfere.

#Collisioni con Particelle d'Aria

Considerando le collisioni tra le nostre sfere e le particelle d'aria circostanti, realizziamo che queste collisioni possono cambiare gli stati quantistici delle sfere. Per stimare quanto spesso accadono queste collisioni, possiamo calcolare il tasso atteso basato sulla velocità delle particelle d'aria e sulla densità dell'aria.

Se anche solo una collisione può disturbare lo stato, dobbiamo mantenere questo tasso basso per preservare l'intanglement. Mantenere l'ambiente il più pulito possibile da particelle sarà una parte essenziale dell'esperimento.

#Radiazione da Corpo Nero

La radiazione da corpo nero è un'altra preoccupazione. Si riferisce alla radiazione emessa da oggetti a una certa temperatura. Se le nostre sfere assorbono o emettono fotoni, i loro stati cambiano, portando a decoerenza. Dobbiamo trovare modi per schermare le nostre sfere da questa radiazione o progettare l'esperimento in modo che qualsiasi radiazione non influisca significativamente sugli stati rotanti che ci interessano.

#Utilizzo del Riscaldamento Laser

Per raggiungere le alte velocità che vogliamo, useremo laser. Tuttavia, questo riscaldamento può creare più rumore. Stimando con attenzione quanto aumenterà la temperatura delle sfere quando utilizziamo questi laser, possiamo controllare se questo riscaldamento interferirà con le nostre osservazioni.

Calcoliamo il cambiamento atteso di temperatura dovuto all'uso del laser e scopriamo che, in condizioni ottimali, l'aumento rimane gestibile.

#Considerazioni Finali

In sintesi, suggeriamo un nuovo metodo per testare se la gravità mostra caratteristiche quantistiche concentrandoci sul momento angolare in oggetti simmetrici piuttosto che sulle loro posizioni. Attraverso una preparazione attenta degli stati e una gestione del rumore, speriamo di creare un modo robusto per studiare la natura fondamentale della gravità.

Esaminando come si svolgono queste interazioni uniche, miriamo a contribuire alla nostra comprensione di se la gravità fa parte dell'universo quantistico o se segue le proprie regole classiche.