Un nuovo metodo per misurare meglio la costante G

SCOPERTE – Quando si parla di scoperte e fisica è necessario camminare con i piedi di piombo. L’ultima di una serie di notizie di questo tipo è quella secondo cui un team di fisici dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e del Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare (Lens) di Firenze sarebbero riusciti a determinare una volta per tutte la misura di G, la celebre costante gravitazionale di Newton.

“È vero: la misurazione che abbiamo eseguito è molto precisa, ma il punto qui è un altro” spiega Guglielmo Tino, ordinario di Fisica della materia presso l’Università di Firenze e associato all’INFN. “La vera notizia è che abbiamo lanciato un metodo di misura che mette insieme gravità e meccanica quantistica, applicabile anche in riferimento ad altre quantità. Inoltre è bene precisare che qui non si tratta di aver scoperto il valore di G, quanto piuttosto di aver ottenuto una misura molto precisa di questa costante. Qualcuno fra una settimana potrebbe determinare un’approssimazione ancora migliore della nostra, è il valore metodologico dei nostri esperimenti a rappresentare il vero traguardo.”

Gli esperimenti per riuscire ad avvicinarsi a una misura precisa di G cominciano nel 1798 quando Henry Cavendish, fisico scozzese, fornì la prima misura di questa costante deducendo la densità media della Terra. In più di 300 anni di esperimenti, però, i fisici non si sono mai accontentati delle loro approssimazioni: gli esperimenti eseguiti hanno infatti dato innumerevoli risultati, spesso anche assai lontani fra di loro. Finora, però, tutti i tentativi di determinare G hanno fatto uso del metodo di Cavendish: due sfere usualmente d’oro e un sistema per misurare la forza che una sfera esercita sull’altra. Ebbene, proprio un esperimento così semplice non è riuscito nei secoli a mettere d’accordo la comunità dei fisici una volta per tutte.

Ma come si fa a capire quando una misura è migliore di un’altra? Se nei casi di altre costanti le differenze tra le misurazioni rientrano comunque all’interno di un intervallo di incertezza, nel caso di G le misure effettuate discordano oltre il range di incertezza.

“Il difetto intrinseco di un metodo come questo – spiega Tino – è la disomogeneità che facilmente può caratterizzare il sistema. Se per esempio le sfere d’oro al loro interno hanno delle disomogeneità si può ripetere la misura quante volte su desidera, ma i risultati saranno sempre discordanti.” In questo senso dunque anche in un caso così sui generis come quello della costante newtoniana, si può capire quando una misura è migliore di un’altra: quando l’apparato sperimentale riduce al minimo i suoi difetti sistematici.

L’esperimento MAGIA ha lavorato proprio in questa direzione, utilizzando non più due masse come si è usato sin dai tempi di Cavendish, ma un’unica massa, una sorgente di tungsteno che funge da fonte gravitazionale. Il ramo in cui si colloca l’esperimento è quello dell’interferometria atomica, che si fonda sulla natura doppia, corpuscolare e ondulatoria, di tutti i costituenti della materia. Nell’esperimento una nuvola di atomi di rubidio viene lanciata verticalmente nel vuoto e raffreddata con una luce laser per rallentare e “intrappolare” gli atomi, portandoli da una velocità di alcuni chilometri al secondo, tipica di un gas a temperatura ambiente, a una velocità di pochi millimetri al secondo, tipica di un gas a una temperatura vicina allo zero assoluto.

A velocità così basse è infatti possibile considerare gli atomi come onde. È qui che entra in gioco la massa di tungsteno di 500 kg, che viene posta a pochi cm dagli atomi al fine di misurare la variazione dell’accelerazione degli atomi di rubidio che essa stessa genera. “Abbiamo dunque utilizzato le proprietà della meccanica quantistica, che permette di trattare gli atomi come onde e come particelle, per ottenere il valore di G. Un metodo di misura quantistico invece che uno che si basa sulla fisica classica.”

Data l’importanza di questo prototipo di esperimento, quello che gli scienziati attendono sono corroborazioni sperimentali da parte di altri laboratori, primi fra tutti un gruppo di Stanford che da anni sta conducendo un esperimento che utilizza questo metodo, e un team cinese, che sta organizzando un esperimento simile a MAGIA. “Un ultimo aspetto, curioso, di questo nostro risultato – prosegue Tino – è che tutto questo è stato fatto a Firenze, patria di Galileo Galilei: un importante passo in avanti come metodologia sperimentale proprio dove il metodo scientifico è nato.”

@CristinaDaRold

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Crediti immagine: NASA