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27 Ottobre 2020

E’ Nobel per le onde gravitazionali


Questa settimana a Stoccolma sono stati assegnati i premi Nobel per gli scienziati che hanno fatto compiere dei passi in avanti decisivi nelle loro discipline.
Nel campo della fisica, sono stati premiati Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne per la rilevazione sperimentale delle onde gravitazionali avvenuta nei mesi scorsi.
Tali ondulazioni del tessuto spazio tempo, erano in effetti già state previste da Albert Einstein nella sua Teoria della Relatività Generale nella prima metà del secolo scorso (NDR: erano possibili soluzioni tensoriali soddisfacenti le equazioni linearizzate della Teoria einsteniana) ma sino a pochi mesi fa non era stato possibile averne prova sperimentale per via dell’inadeguatezza della tecnologia disponibile ed anche il celebre fisico, in effetti, non era assolutamente certo della loro effettiva esistenza.
Lo spazio e il tempo, che nella visione classica della fisica di Newton sono gli imperturbabili scenari in cui si svolgono tutti i fenomeni della vita, sono in realtà mutevoli a seconda di alcuni fattori e finiscono per condizionare gli altri parametri.
Ad esempio, visivamente, l’attrazione gravitazionale che da secoli era vista come una mera forza attrattiva che a distanza due masse esercitano vicendevolmente, secondo la relatività è da vedere come la deformazione dello spazio e del tempo in cui tali masse si trovano.
E’ come se su un leggero telo rappresentante la struttura dello spazio tempo si posassero delle pesanti palle da boowling con l’effetto, sotto il loro peso, di creare delle infossature al telo stesso ossia una deformazione al tessuto spazio temporale al punto che anche la luce, che nella fisica classica si reputa propagarsi in linea retta, incurva il proprio cammino quando passa in prossimità di queste voragini.
Naturalmente, maggiore è la massa dei corpi e più rilevante sarà la deformazione del tessuto spazio tempo.
Questo telo, in caso di rilevanti eventi traumatici come ad es. lo scontro tra due stelle o due buchi neri, viene agitato e si creano delle ondulazioni in esso che si propagano alla velocità della luce in tutte le direzioni nell’universo.
E’ un po’ come quando lanciamo un sasso in uno specchio d’acqua tranquillo e produciamo delle onde che si propagano circolarmente sulla superficie dell’acqua.
Ma la creazione e la propagazione di un ondulazione implica una certa spesa energetica e difatti, proprio nel corso dell’esperimento che ha fruttato il Nobel, si è notato che lo scontro di due buchi neri di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari ha prodotto un unico buco nero ruotante più massiccio di sole circa 62 masse solari anziché di 65 masse solari che aritmeticamente si poteva prevedere. Le 3 masse solari mancanti si sono trasformate in energia, ossia nell’ondulazione del tessuto spazio tempo, detta onda gravitazionale, che è stata rilevata negli USA con il LIGO, un interferometro a luce laser dai bracci lunghi ben 4 km.
In effetti l’ipotesi alla base dell’esperimento era che l’ondulazione del tessuto spazio temporale pervenendo a noi avrebbe fatto variare, sia pure di pochissimo, la distanza tra due punti geometrici noti per la deformazione indotta nel telo dello spazio. Ma come fare per misurare tale variazione se anche un eventuale metro, attraversato parimenti dalle stesse onde, sarebbe stato soggetto alla stessa deformazione? La soluzione è stata quella di approfittare dell’unica costante immodificabile di cui disponiamo costituita dalla velocità della luce. Ecco quindi che la comparazione delle onde di cui è costituito un fascio di luce laser sparato in due direzioni ortogonali tra loro e riflesso indietro da specchi al termine di gallerie lunghe ben 4 km ha potuto evidenziare che in un dato momento i fasci, partiti in sincronia, ritornavano con un certo sfasamento e questo non poteva essere che messo in correlazione alla deformazione dello spazio indotto dal passaggio di un’onda gravitazionale.
Si comprende quindi perché sino ad oggi, ossia prima di poter disporre di luci laser e di interferometri capaci di discriminare sfasamenti così minuti, la rilevazione delle onde gravitazionali non fosse possibile.
La effettiva rilevazione delle onde gravitazionali, oltre a confermare nuovamente tutti gli aspetti della Teoria della Relatività Generale di Einstein, è un passo in avanti enorme nel campo della fisica e, segnatamente, nel campo della cosmologia.
Fino a due secoli fa, infatti, l’uomo poteva contare solo sulla luce visibile per osservare l’universo. Poi, con la scoperta e la concreta applicazione delle onde radio avvenuta il secolo scorso, è nata la radioastronomia che ha consentito di “vedere” alcuni oggetti e fenomeni allargando la finestra di osservazione a gamme di frequenza prima non rilevabili. Analogamente hanno consentito di fare i raggi infrarossi i raggi X e i raggi gamma.
Ma, a partire dalle onde radio e sino ai raggi gamma, si trattava sempre e solo di onde elettromagnetiche ossia la finestra di osservazione era qualitativamente sempre la medesima anche se via via più larga e facente passare più informazioni. Oggi, invece, sappiamo che possiamo rilevare grandi eventi del cosmo studiandoli anche considerando la vibrazione che essi provocano nel tessuto del telo spazio temporale, ossia da una finestra del tutto differente da quella consentita delle onde elettromagnetiche. E’ quindi questo il passo gigante che è stato finalmente compiuto e premiato con il Nobel al termine di una sperimentazione che ha potuto beneficiare di importanti contributi anche italiani. Vicino Pisa, infatti, è posto un altro interferometro chiamato VIRGO e i dati ottenuti su scala mondiale da tutti gli strumenti sono elaborati anche col contributo degli scienziati italiani.
La possibilità di rilevare praticamente onde gravitazionali apre davvero nuove strade per lo studio del cosmo e dei suoi avvenimenti più rilevanti a partire dal Big Bang.
infatti, come detto, per rilevare deboli ondulazioni spazio temporali, perché si possano produrre onde gravitazionali apprezzabili, devono avvenire grandi e traumatici eventi cosmici come, nel caso della recente esperienza che ha condotto al Nobel, lo scontro e la fusione di due buchi neri.
Subito è quindi lecito fare correre il pensiero all’evento più rilevante e traumatico che possiamo pensare sia mai accaduto nell’universo dall’inizio del tempo, il Big Bang, che risulta insondabile al tempo zero utilizzando solo le possibilità consentite dalle onde elettromagnetiche.
Ma tutto questo sforzo di ricerca non servirà, forse, solo ad avvicinarsi allo sfuggente momento del Big Bang perché le avanzate tecnologie che si sono dovute sviluppare inevitabilmente ricadranno anche su attività comuni e quotidiane come accadde per il velcro, materiale inventato per le necessità delle prime missioni spaziali, oggi tecnologia diffusa nella medicina come nell’abbigliamento di tutti i giorni.

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