Gli astrofisici parlano molto della lente gravitazionale, uno degli aspetti più divertenti della famigerata dualità onda-particella della luce. Il fenomeno mostra, in modi prevedibili e misurabili, come la piccola massa all’interno di ciascun fotone di luce che sfreccia fuori da una stella distante porti effettivamente quella luce a piegarsi sotto l’attrazione gravitazionale di qualsiasi corpo celeste denso lungo il suo percorso.
Ora, un fisico dell’Università di Wollongong ha creato un nuovo sistema laser a fibra ottica – abbastanza piccolo e robusto da poter essere azionato da un aereo o addirittura da un sottomarino – che ha padroneggiato questa flessione gravitazionale della luce per applicazioni di telerilevamento. Secondo Enbang Li, che ha progettato e testato il nuovo dispositivo, questo sensore che devia la luce potrebbe un giorno essere utilizzato nei rilievi aerei per la mappatura sotterranea e il monitoraggio ambientale, nonché nei sistemi di navigazione sottomarina.
“Piccoli cambiamenti di gravità possono rivelare cambiamenti critici sotto o intorno a noi, dai livelli delle acque sotterranee agli accumuli di magma sotto i vulcani che potrebbero indicare future eruzioni”, ha detto Li in un comunicato stampa.
Li vede ulteriori applicazioni che potrebbero includere l’esplorazione delle risorse geologiche, il monitoraggio del clima e le valutazioni dei rischi naturali simili a sonar o radar. “La nostra ricerca suggerisce che le tecnologie di rilevamento basate sulla luce potrebbero un giorno fornire un nuovo modo per rilevare e monitorare tali cambiamenti con altissima precisione”, ha affermato.
Mappatura della gravità
Scienziati e ingegneri in settori come la difesa e l’estrazione mineraria si affidano ormai da tempo a varie forme meccaniche di rilevamento della gravità. Ma questi metodi di misurazione, utilizzati per rilevare caratteristiche come la densità delle rocce, sacche d’acqua nascoste o reti di grotte sotterranee, possono purtroppo essere resi imprecisi anche da vibrazioni e movimenti sottili.
La tecnologia dei sensori di flessione della luce di Li, o “mappatura della gravità”, come l’ha chiamata nel suo nuovo studio nei rapporti scientifici, offrirebbe vantaggi distinti in termini di migliore mobilità e sensibilità. (L’articolo di Li è ancora in fase di revisione editoriale presso la rivista, ma è stata pubblicata una versione non modificata per fornire un accesso anticipato ai risultati).
Il dispositivo è ingannevolmente piccolo, alto circa tre piedi (un metro), contenente due bobine di cavo in fibra ottica che si srotolerebbero ciascuna fino a poco più di sei miglia (10 chilometri) di lunghezza. Il dispositivo funziona confrontando e contrapponendo il ritardo temporale tra due raggi di luce laser poiché ciascun raggio pompa rapidamente i fotoni attraverso le rispettive bobine a spirale e ritorno. Questi ritardi temporali incredibilmente piccoli, dell’ordine di pochi picosecondi, forniscono i singoli punti dati scalabili che registrano il disturbo della luce laser dovuto alla gravità, che Li ha testato in laboratorio tramite la vicinanza delle sue due bobine a un pezzo cilindrico di acciaio da 72 kg su ruote.
L’Università di Wollongong ha descritto il dispositivo come “una prima prova di concetto” nel suo comunicato stampa, sottolineando che sarebbero necessarie ulteriori ricerche “che esplorino ulteriori interazioni tra la luce e i campi gravitazionali” prima che questa tecnologia sia sufficientemente robusta per l’uso sul campo.
Quanto è costante la velocità della luce, in realtà?
Come ha osservato Li in questo studio, questi esperimenti sono stati condotti in un laboratorio di ottica “completamente climatizzato” e in un “edificio privo di vibrazioni”, due fattori che hanno contribuito a escludere altre variabili durante la calibrazione di questo nuovo dispositivo di misurazione.
Anche così, come ha riconosciuto nel suo studio, c’è ancora “molto lavoro da fare per identificare ulteriormente le fonti che generano le fluttuazioni nei segnali di ritardo misurati”.
Ma, in questo processo, questi ritardi temporali potrebbero anche finire per rimettere in discussione alcune questioni piuttosto fondamentali in fisica, secondo Li, in particolare la premessa di lunga knowledge secondo cui la velocità della luce funziona come una costante.
“Nel 1905, Albert Einstein postulò che la velocità della luce nel vuoto è costante e indipendente dal movimento dell’osservatore”, ha detto Li in una nota. “I nostri risultati sperimentali suggeriscono che i fotoni possono interagire con il campo gravitazionale della Terra in modi che possono influenzare il modo in cui la luce si trasmette, il che fornisce una nuova prospettiva su questa ipotesi di vecchia knowledge”.
