La misura esatta della relatività

Di quanto la presenza del campo gravitazionale terrestre rallenta le lancette del nostro orologio? Questo effetto, predetto da Einstein nella sua Teoria della relatività generale, è stato misurato sperimentalmente con un grado di precisione mai raggiunto prima. Il merito è di Holger Müller dell’Università della California di Berkeley (Usa), che ha reinterpretato su Nature i risultati di un esperimento condotto quasi dieci anni fa dai fisici suoi colleghi Achim Peters e Steven Chu, premio Nobel per la Fisica nel 1997 e oggi Segretario Us per l’energia.

L’effetto viene anche chiamato “spostamento verso il rosso gravitazionale” perché il campo gravitazionale rallenta le oscillazioni delle onde elettromagnetiche (se consideriamo questo effetto sulla luce visibile, un abbassamento di frequenza corrisponde a uno spostamento verso la porzione rossa dello spettro). Immaginiamo di sincronizzare due orologi posti l’uno accanto all’altro e poi di portare uno solo dei due ad una altitudine di 10.000 chilometri. Poichè l’intensità del campo gravitazionale diminuisce con la distanza, l’effetto sarà maggiore sull’orologio rimasto a terra che non sull’altro; di conseguenza la frequenza di oscillazione dell’orologio ad altitudine minore risulterà rallentata rispetto alla frequenza di oscillazione dell’orologio a 10.000 chilometri. 

Un esperimento molto simile a quello appena descritto era stato condotto circa trent’anni fa.  Allora erano stati utilizzati orologi atomici. Alla fine del volo a 10.000 chilometri, i due orologi segnavano qualche miliardesimo di secondo di differenza.

L’esperimento di Peters e Chu, invece, era stato originariamente pensato per misurare l’accelerazione di gravità. Per lo studio erano stati usati degli atomi di cesio investiti con un fascio di luce laser. “Secondo la meccanica quantistica, ogni atomo di cesio che si trova in queste condizioni ha due possibilità”, ha spiegato Müller: “In un caso il laser spinge l’atomo verso l’alto di un decimo di millimetro, nell’altro la sua traiettoria è più bassa. L’effetto del campo gravitazionale non è lo stesso nei due casi e influenza in modo diverso le oscillazioni degli atomi di cesio. Sebbene indirettamente, Peters e Chu erano riusciti a misurare le oscillazioni nelle due possibili realtà.

Come riporta Müller, la differenza tra le oscillazioni degli atomi che si trovano più in alto e quelli che sono più in basso permette di determinare lo spostamento verso il rosso gravitazionale. E le misure effettuate in quell’e sperimento coincidono con quanto previsto dalle equazioni della relatività generale con un errore di circa una parte su 100 milioni, sono cioè diecimila volte più accurate di quelle ottenute con l’esperimento degli orologi atomici. (m.s.)

Riferimento: doi:10.1038/nature08776