Lo spazio-tempo nel taschino

Benché le curve e le increspature dello spazio-tempo celino segreti intriganti sulla storia dell’universo, siamo ormai abituati a sentir ripetere che sono estremamente difficili da studiare. Figuriamoci da “ricreare”. Ma ai fisici, si sa, non manca certo l’audacia: è infatti notizia recente che un gruppo di ricercatori ha cercato di “ricreare” le geometrie dello spazio-tempo proprio in laboratorio.

A raccontarcelo è un articolo pubblicato sul New Journal of Physics e firmato da Niclas Westerberg come primo autore. Illuminando una pellicola molto sottile (come il grafene) con un impulso laser ultracorto e intenso si è capito che è possibile creare un modello che segue le periodiche contrazioni dello spazio-tempo cosmologico. In che modo?

Schema dell’esperimento. (N. Westerberg, et al. ©2014 IOP Publishing Ltd).

Semplice: pensate alle caratteristiche di un’onda gravitazionale. Dal momento che è in grado di amplificare le radiazioni elettromagnetiche producendo un elevato numero di fotoni, la rilevazione del prodotto di questa amplificazione sarebbe un segnale di queste increspature. “Date le condizioni di contorno corrette, le onde gravitazionali possono dare luogo all’emissione di fotoni”, spiega Daniele Faccio, docente alla  Heriot-Watt University di Edimburgo. “E non c’è nulla di strano nell’usarli per rilevare le onde stesse”. Naturalmente parliamo di onde artificiali in un sistema gravitazionale fittizio. Per il momento sembra essere sufficiente per individuare un metodo ad hoc per rilevazione di onde gravitazionali reali.

Per passare ad un sistema reale è necessario un esperimento più complesso: “per un sistema che possa misurare le onde gravitazionali reali è necessario un lungo cavo superconduttore che può essere eccitato da una vera e propria onda gravitazionale, in modo da generare l’emissione di onde radio in una regione dello spettro che sia rilevabile dai nostri strumenti. Un meccanismo fondamentalmente molto diverso da quello proposto finora in tutti gli altri sistemi di rilevamento (basati, per esempio, sulle masse fluttuanti)”, precisa Daniele Faccio. Il nuovo sistema sarebbe un tipo di amplificazione parametrica, dove un laser emette luce di lunghezza d’onda variabile. Tuttavia, la tradizionale amplificazione parametrica di solito consiste in un supporto, come un cristallo, distante molte lunghezze d’onda da quella (più corta) della luce incidente. Di conseguenza, l’oscillazione si verifica all’interno del mezzo, mentre il mezzo stesso non oscilla. Al contrario, il mezzo nel modello proposto ha uno spessore “tarato” su una lunghezza d’onda inferiore a quello incidente, di modo che il mezzo stesso non oscilli (entrambe le forme di amplificazione parametrica restano esempi dell’effetto Casimir dinamico).

Per ora abbiamo solo un modello su cui lavorare e, forse, possiamo intuire la formazione di un metodo d’indagine per riprodurre le caratteristiche dello spazio-tempo su scala molto più piccola. Il sistema proposto potrà forse fornire una piattaforma di base per studiare l’espansione e la contrazione dello spazio-tempo. Mi è più difficile immaginare una connessione diretta con l’intera teoria dei campi quantistici, visto che per ora l’esperimento dovrebbe consistere in un sottile film di grafene eccitato da un’onda periodica che emula un’onda gravitazionale.

Paper di riferimento:  N. Westerberg, et alii., Experimental quantum cosmology in time-dependent optical media, in “New Journal of Physics”,  DOI: 10.1088/1367-2630/16/7/075003  Anche su arXiv:1403.5910 [gr-qc].