Poco più di un anno fa, l’esperimento americano chiamato LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha annunciato di aver rilevato per la prima volta un’onda gravitazionale. Questo è un evento molto importante per la fisica ed il suo futuro. Oggi però parleremo della tecnologia quantistica che ha reso possibile questa scoperta.
LIGO è un enorme interferometro, ovvero uno strumento che, tramite l’utilizzo di laser e specchi, può osservare le onde gravitazionali. Queste onde sono create dall’interazione tra corpi celesti enormi, che avvengono perciò a distanze di anni luce dalla Terra.
Queste onde interagiscono poco con la materia comune, ovvero ciò di cui sono fatti pianeti e stelle. Nonostante la poca interazione, le onde gravitazionali sono molto indebolite quando raggiungono la Terra, e per questo servono strumenti molto sensibili, ed è qui che entra in gioco LIGO. Purtroppo, la luce laser all’ interno dello strumento ha due effetti principali che possono interferire con la sensibile rilevazione di onde gravitazionali: la pressione applicata dalla luce stessa sugli specchi, e il cosiddetto rumore shot, ovvero un rumore statistico creato dai fotoni, le “particelle” di luce. Il primo di questi problemi è risolto semplicemente aumentando la massa degli specchi: LIGO contiene specchi da più di 40 kg l’uno, che sono quindi salvi da spostamenti dovuti alla pressione della luce. Il secondo di questi problemi invece ha una soluzione più complessa. Esiste un limite naturale oltre il quale non si può sapere con esattezza la posizione oppure la quantità di moto di un fotone. Questo limite è definito dal principio di indeterminazione di Heisenberg, uno dei concetti più importanti che la fisica quantistica ha sviluppato.
Per rendere più chiaro il concetto, immaginate la pioggia che cade sul terreno: possiamo sapere con esattezza quanta pioggia cade a terra ogni secondo, ma non possiamo sapere con esatta precisione dove e quando cadrà una singola goccia. La nostra concezione dei fotoni è molto simile. Questa incertezza porta alla creazione di un rumore di fondo nell’ analisi dei dati, che non può essere statisticamente eliminato. Gli scienziati che lavorano all’ esperimento LIGO hanno però trovato una soluzione ingegnosa, che è costata anni di ricerche. Si tratta degli stati spremuti di luce. Questi stati spremuti obbediscono il principio di indeterminazione di Heisenberg, ma con una piccola modifica: l’incertezza in posizione può essere ridotta ad un minimo, permettendo di avere una quasi certa quantità di moto, o viceversa. Questi stati spremuti di luce sono ottenuti attraverso della strumentazione molto avanzata che crea dei feedback di luce laser che vengono introdotti all’ interno dello strumento.
Ora che l’esistenza delle onde gravitazionali è stata confermata, è solo questione di tempo prima che altri strumenti diventino operativi e che si possa creare un catalogo di onde gravitazionali. Questo porterà a conferme statistiche che possono cambiare il volto della fisica moderna. LIGO è stato, senza alcun dubbio, ciò di cui la fisica moderna aveva bisogno.
Fonte: Nature