venerdì 12 febbraio 2016

Onde gravitazionali o amatriciana? Questo è il dilemma.


Questo post si pone l’obiettivo davvero ambizioso di rispondere alla domanda di cui sopra.  Cosa è più importante, le onde gravitazionali o un’ottima amatriciana? E soprattutto, siamo capaci di riempirci la bocca di onde gravitazionali o solo di amatriciana?

A giudicare da quello che leggo sulla stampa italiana il 12 febbraio, il giorno dopo l’annuncio, la seconda domanda ha purtroppo una sola risposta: ce ne fosse uno, dei divulgatori scientifici de noantri che ci ha capito qualcosa. Superficialità, incapacità di mettersi nei panni di chi legge e, per finire, una quantità infinita di supercazzole tanto per far capire al lettore intimidito che loro con Einstein stanno culo e camicia. E più non domandate, ignoranti.   

Io l’amatriciana l’adoro; mi ci farei il bagno. Ma, e stento a crederci io stesso, le onde gravitazionali sono più importanti. Vediamo se riesco a convincervi. 

Circa cent’anni fa Einstein pubblicava la teoria della relatività generale. Un elemento fondamentale della teoria è l’esistenza di una nuova dimensione: lo spazio-tempo.
La nostra normale esperienza umana ci dice: spazio = metri e centimetri, tempo = ore e minuti. Va bene per le nostre piccole misurazioni terrestri, non va bene se parliamo di Universo, questo enorme calderone in cui siamo immersi. Perché non va bene?
Perché se io mi sposto con il pensiero (visto che solo con quello posso percorrere enormi distanze) da un punto all’altro dell’Universo mi accorgo che mi sono spostato anche nel tempo.
Guardando un cielo stellato, posso spostarmi con il pensiero su Sirio, una stella lontana 8.6 anni luce, il che vuol dire che la sua immagine ci ha messo 8.6 anni ad arrivare sulla Terra. Al termine del mio viaggio immaginario durato un battito di ciglia, mi volto indietro e guardo la Terra con un altrettanto immaginario telescopio.
Sorpresa! Non è la Terra di quando sono partito, ma la Terra di 8.6 anni fa! A Palazzo Chigi c’è Prodi!
E stiamo parlando di distanze molto piccole su scala universale. Figuratevi se mi spostassi in un’altra galassia e puntassi l’immaginario telescopio: cavolo, i dinosauri! Che figata!
Come facciamo, si chiese Einstein, a rappresentare il fatto che se mi muovo nello spazio mi muovo nel tempo? Non sarà che spazio e tempo sono due facce della stessa medaglia? 

E’ così che nasce il concetto della nuova dimensione: lo spazio-tempo. Einstein lo rappresenta come un reticolo che pervade l’Universo, che si incurva in presenza di grandi masse: pianeti, stelle, buchi neri, eccetera. Queste curvature spiegano perché i corpi celesti tendono a ruotare l’uno intorno all’altro: la massa di un pianeta curva lo spazio-tempo a imbuto, e il suo satellite non può che girare intorno al pianeta come una pallina nella ruota della roulette.



La teoria è stata giudicata talmente convincente dai fisici che nessuno l’ha messa in dubbio, anche in assenza di prove. Diciamo che se le prove fossero arrivate, non ci sarebbe stata nessuna sorpresa. Ed è quello che è successo con l’annuncio dell’11 febbraio. Ma non anticipiamo, dobbiamo ancora capire alcune cose.

Einstein ha detto anche un’altra cosa, molto importante: se le grandi masse si spostano, producono delle increspature del reticolo, che si propagano in tutte le direzioni sotto forma di onde. Esattamente come le produrrebbe una palla di un certo peso che rotolasse su un lenzuolo. Un evento da qualche parte dell’Universo che sposti masse sufficientemente grandi, dovrebbe produrre delle onde che potrebbero arrivare fino a noi: le onde gravitazionali.

Possiamo immaginare il reticolo composto da corde di violino: se in un punto una corda viene pizzicata con sufficiente forza (e quindi da una sufficiente massa), la vibrazione può arrivare molto lontano.

Gli scienziati erano così convinti della bontà della teoria che hanno deciso di investire molto tempo e denaro per tentare di catturare un’onda gravitazionale. E’ stato uno sforzo che ha coinvolto un migliaio di fisici di molte nazioni ed è durato quasi vent’anni. Hanno costruito delle apparecchiature gigantesche che si chiamano interferometri, uno dei quali si trova a Cascina, in provincia di Pisa.      

 L’interferometro VIRGO a Cascina, come appare su Google Map


Il principio di funzionamento è facilmente comprensibile: due tunnel identici lunghi alcuni chilometri sono orientati fra di loro a 90 gradi. In ognuno dei tunnel viene sparato un raggio laser di una determinata lunghezza, che viene riflesso da uno specchio e misurato. Se tra le due lunghezze dei raggi laser c’è una discrepanza, è perché un’onda gravitazionale ha deformato lo spazio tra i due tunnel per un istante. Facile a dirsi, ma pensate che la discrepanza può essere grande quanto un centomillesimo del diametro di un atomo! Valla a misurare!

Ebbene, a settembre 2015 l’onda è arrivata. Mesi di verifiche e poi l’annuncio: è tutto vero, Einstein aveva ragione. L’evento che ha scatenato l’onda è avvenuto 1.3 miliardi di anni fa ed è stato pazzesco: lo scontro e la fusione di due buchi neri grandi molte volte il Sole.  
Come ho detto, l’annuncio non ha destato sorpresa. Tutti gli scienziati sapevano che prima o poi sarebbe arrivato. Ma è vero, assolutamente vero, che ora si apre una nuova era della fisica dell’Universo. Vediamo perché.

Primo: fino all’arrivo di questa clamorosa evidenza, la forza di gravità era la forza più misteriosa dell’Universo. In altre parole, non si capiva come funzionava. E’ vero che due corpi si attraggono in misura proporzionale alla loro massa, ci ha detto Newton, ma perché? Boh.

Se io vedo un oggetto è perché i fotoni rimbalzati da quell'oggetto hanno colpito la mia rètina, ma invece quale particella (o quanto) trasmette l’ordine di attrarre un corpo? Esistono i fantomatici gravitoni? Se sì, perché non li troviamo?
La risposta, almeno parziale, è arrivata insieme all’onda gravitazionale: la forza di gravità è ondulatoria, non corpuscolare come la luce. Chi trasmette quel famoso ordine di attrazione è l’onda stessa.1 

Secondo: siamo di fronte alla prima evidenza scientifica dell’esistenza dei buchi neri. Questo vuol dire che d’ora in poi l’Universo potrà essere esplorato non solo con le onde elettromagnetiche (luce, raggi X, onde radio) ma anche con le onde gravitazionali attraverso gli interferometri. 

Sarà possibile costruire degli interferometri da lanciare nello spazio, con bracci virtuali di centinaia di migliaia o milioni di chilometri (raggi laser sparati da terra fino a stazioni orbitanti), in grado di catturare onde gravitazionali moto più deboli.

Sarà possibile tracciare le “vibrazioni” di eventi non esplorabili con gli strumenti ottici, primo fra tutti il Big Bang.

Infatti, neanche se costruissimo il telescopio più potente che si possa immaginare potremmo arrivare a vedere l’istante zero, il momento della nascita dell’universo. Questo perché fino a 380.000 anni dopo l’istante zero la gravità nell’universo era così potente da non lasciar sfuggire neanche la luce. In altre parole, non possono esistere immagini di un evento che si collochi prima di trecentottantamila anni dal Big Bang.

Immagini no, ma onde gravitazionali sì!  Sarà possibile “ascoltare” il rumore di fondo, la vibrazione che pervade tutto l’Universo dal momento del Grande Botto. 

Direte voi (io lo direi): perché, dato che il Big Bang deve aver prodotto un’onda gravitazionale super gigantesca, non l’abbiamo catturata con gli stessi interferometri?

Semplice: il Big Bang è avvenuto 13.8 miliardi di anni fa e quindi a 13.8 miliardi di anni luce di distanza da noi. Per quanto gigantesca sia l’onda, è una distanza troppo grande perché arrivi a noi come un segnale forte. La “corda di violino” è stata pizzicata troppo lontano da noi. Dobbiamo aspettare di disporre di interferometri molto più sensibili.

Ma dotiamoci di tanta pazienza e trasmettiamo queste informazioni a chi viene dopo di noi. Saranno probabilmente loro a ricevere le risposte. Che, naturalmente, scateneranno altre domande. E così via.

Tempus fugit, ma la scienza resta.


1 Le cose sono in realtà un po’ più complesse e in probabile evoluzione. La fisica quantistica ha rivelato che la luce ha natura sia corpuscolare che ondulatoria. E’ probabile che anche la gravità, a livello quantistico, si rivelerà di doppia natura, dando ragione anche a chi teorizza l’esistenza del gravitone o quanto di gravità.


3 commenti:

  1. Fantastico anche se vero! Finalmente ci ho capito qualcosa e l'emozione è tantissima
    Grazie Ettore

    RispondiElimina
  2. Grazie, ci contavo sul tuo aiuto

    RispondiElimina
  3. Caro Ettore, grazie, sono rare le persone come te che rendono semplici e accessibili argomenti dolo apparentemente destinati a pochi. Manfredi, amico di Antonella

    RispondiElimina