L’esperimento delle Onde Gravitazionali

Un compagno di classe delle medie di mio figlio, autistico e sudamericano, era particolarmente ossessionato dalla domanda perché la penna si cade? Molti suoi compagni lo schernivano per questo motivo e talvolta faceva anche perdere la pazienza alle insegnanti. Quando mio figlio mi raccontò di questa storia rimasi onestamente stupito, perché se davvero c’è una domanda che il genere umano si pone da millenni è perché la penna “si” cade. Cioè, da dove viene la forza di gravità.

Delle quattro forze con cui la materia interagisce, interatomica debole, interatomica forte, elettromagnetica e gravità, il genere umano è arrivato a comprendere solamente le prime tre. Almeno fino all’11 febbraio scorso.

Lo avrete letto a più riprese: per la prima volta nella storia sono state inequivocabilmente misurate le cosiddette onde gravitazionali. Eh sì, perché fino a ieri avevamo capito che le forze vengono mediate – trasportate – da particelle che si comportano come onde e onde che si comportano come particelle, ci siamo occupati di questa interessante proprietà della
materia nel ciclo di post dedicati alla Meccanica Quantistica.

Tuttavia, sempre fino a ieri, non avevamo mai individuato il meccanismo di trasmissione della forza di gravità, una forza debolissima che però agisce su scala cosmica, a differenza delle altre forze che invece sono via via sempre più intense ma che agiscono su scala molto più contenuta.

Fu Maxwell a comprendere che elettricità e magnetismo sono per così dire due facce della stessa medaglia, ovvero due aspetti dello stesso fenomeno fisico. A Dalton, Rutherford, Pauli, Bohr, Schroedinger e i grandi fisici moderni dobbiamo invece la comprensione della struttura dell’atomo, ipotizzata da un filosofo naturalista greco, Democrito, nientemeno che nel VII secolo avanti Cristo.

Mancava ancora un pezzo, ovvero la comprensione del “perché la penna si cade” e questa mancanza si è fatta sentire per ventotto secoli, da Democrito ad Einstein. Abbiamo visto in un post precedente proprio dedicato a Maxwell ed Einstein, che la velocità della luce è un invariate rispetto al sistema di riferimento.

Vale a dire che, ad esempio, se accendessimo un faro su una astronave che viaggia ad una frazione della velocità della luce, le particelle del fascio rispetto ad un osservatore esterno si muoverebbero sempre alla velocità della luce. La velocità del mezzo che le emette non si somma, come accadrebbe invece lanciando un sasso da un treno. L’unico modo per preservare la velocità della luce è che spazio e tempo siano una funzione della velocità dell’osservatore.

In altri termini che spazio e tempo non sono grandezze assolute ma relative. Questo risultato, presentato dallo stesso Einstein nel 1905 con la Teoria della Relatività Speciale, è solo una parte dell’intero quadro.

Ma nel 1915 Albert Einstein presentava al mondo la Teoria della Relatività Generale, in cui la relatività di spazio e tempo non dipende solamente dalla velocità dell’osservatore. Un anno dopo, nel 1916, lo stesso Einstein teorizzava una giustificazione alla forza di Gravità mediante onde gravitazionali, appunto. La Teoria della Relatività Generale di Einstein aggiunge un ulteriore tassello al mosaico delle distorsioni dello spazio e del tempo, spiegando come la struttura di spazio e tempo, o dello spazio–tempo, sia invece influenzata dalla presenza di massa. E’ facile immaginare una grossa pietra poggiata su un telone teso, piegandolo. Allo stesso modo la massa curva sia lo spazio che il tempo, provocandone una alterazione geometrica.

Einstein aveva previsto che la forza di gravità è il prodotto di questa curvatura. Per comprendere il significato di questa proprietà della materia, dobbiamo condurre un nuovo esperimento ideale. Immaginiamo due osservatori nello spazio, uno sospeso nel vuoto e l’altro in orbita attorno ad un oggetto molto massiccio. Secondo la Teoria della Relatività Generale, la grande massa vicina al secondo osservatore distorce spazio e tempo, in un modo molto particolare. Accade infatti che lo spazio di un metro per l’osservatore nei pressi dell’oggetto massivo sia “più grande” che non per l’osservatore sospeso nel vuoto. Viceversa, il tempo di un secondo per l’osservatore nei pressi dell’oggetto massivo è più lento che non per l’altro.

Dicevamo che sono stati diversi gli esperimenti che hanno
dimostrato corretto l’impianto di Einstein, come ad esempio il fenomeno del Lensing Gravitazionale. L’esperimento presentato la settimana scorsa dal David Reitze, executive director del LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) è l’ennesima riprova – e definitiva – dell’effettiva presenza nel cosmo delle onde gravitazionali, intese letteralmente come distorsione dello spazio-tempo.

L’idea è concettualmente semplice, anche se incentrata su una struttura teorica estremamente complessa come la Relatività Generale. Posto che le onde gravitazionali generano una distorsione dello spazio-tempo, si costruisce un sistema in grado di intercettare le interferenze generate da questa distorsione.

Ed è proprio questa la base fisica su cui poggia il principio del rilevatore di onde gravitazionali LIGO: in due lunghi tubi perpendicolari si fanno viaggiare fasci di luce laser in modo tale che interferiscano azzerandosi.

In assenza di perturbazioni gravitazionali lo spazio e il tempo sono uguali in tutti e due i tubi e l’interferenza distruttiva resta un fenomeno costante, per cui all’uscita dello strumento non si vede alcun segnale. In presenza di onde gravitazionali i due tubi perpendicolari l’un l’altro si “stiracchiano” nello spazio-tempo in modo impercettibilmente diverso. Per questo motivo l’interferenza non è più completamente distruttiva e appare un segnale in uscita allo strumento.
-> Vai all’approfondimento sulla Meccanica Quantistica
-> Vai all’approfondimento su Maxwell ed Einstein
-> Foto e Articolo LIGO di Science News