Questo post non spiega cosa sono le Onde Gravitazionali

97-albert-einsteinI giornali, la TV, Internet in questi giorni offrono grande risonanza all’osservazione, da parte di una collaborazione di ricerca alla quale partecipano anche scienziati italiani, delle Onde Gravitazionali, una delle “predizioni” chiave della teoria della Relatività Generale di Einstein.

Molti lettori avranno magari approfittato di quest’occasione storica per comprendere meglio cosa siano le Onde Gravitazionali e quali caratteristiche abbiano. In questo post, invece, vorremmo parlare di perché questa scoperta, anzi questa conferma, sia così importante.

D’altronde, per chi volesse imparare qualcosa sulla natura delle Onde Gravitazionali c’è solo l’imbarazzo della scelta: se da sempre esistono numerosi siti dove informarsi, non ultimo Wikipedia (in inglese), la recente “esposizione mediatica” dell’argomento ha fatto sì che venissero pubblicate numerose descrizioni del fenomeno, inclusa qualcuna in cartoni animati.

Io invece vorrei dedicare questo post a un altro tipo di considerazioni, e per questo devo invitarvi a un viaggio nello …spazio-tempo, fino alla Germania del 1915, quando Einstein pubblicò finalmente la sua teoria della Relatività Generale. A quell’epoca, Einstein era ormai uno scienziato affermato, professore all’Accademia Prussiana delle Scienze e riconosciuto come uno dei fisici più autorevoli del tempo, e lo sarebbe rimasto anche se non avesse più pubblicato lavori importanti. Einstein però aveva un conto ancora aperto con le leggi della natura. La Relatività Generale era un’impresa cui lavorava almeno del 1907, quando era ancora impiegato all’Ufficio Brevetti di Berna e aveva pubblicato un articolo che esponeva già la sostanza del Principio di Equivalenza, che è il cuore della Relatività Generale; gradualmente e faticosamente, acquisendo strada facendo gli strumenti matematici necessari, Einstein riuscì infine a raggiungere la formulazione corretta della teoria, il cui contenuto fisico essenziale era però già in quel lavoro del 1907, che si proponeva di estendere alla gravità il Principio di Relatività alla base della teoria della Relatività Ristretta.

Perché Einstein ci mise tanto a mettere a punto questa teoria, dopo aver pubblicato, nel 1905, ben quattro lavori fondamentali, ciascuno dei quali sarebbe stato sufficiente da solo per imporlo all’attenzione del mondo scientifico? Uno dei motivi è che la sua formulazione matematica era molto più complessa di quella della Relatività Ristretta, ma c’è anche un’altra ragione: con la Relatività Generale, Einstein compì una colossale impresa concettuale. La Relatività Ristretta era in un certo senso una teoria “matura per essere scoperta”, che colmava un vuoto di cui la comunità dei fisici era consapevole fin dal 1887, quando gli esperimenti di Michelson e Morley avevano messo in crisi la teoria dell’etere come mezzo di trasmissione delle onde elettromagnetiche. La Relatività Generale, invece, non nasceva da nessuno specifico fatto sperimentale, bensì da un puro ragionamento, dall’idea che le cose dovessero necessariamente stare così: le leggi della Fisica dovevano essere le stesse in tutti i sistemi di riferimento, e da questo principio di equivalenza, che in termini matematici corrisponde a quello che si chiama covarianza generale, Einstein seppe far discendere non già un modello delle forze gravitazionali diverso da quello newtoniano, ma un modello dello spazio-tempo all’interno del quale le forze gravitazionali semplicemente spariscono e vengono sostituite da una geometria mutevole, che dipende da, e condiziona, la distribuzione di materia ed energia. Da quell’unico principio, puramente concettuale, è derivata una descrizione dell’Universo allora impensabile: un Universo in espansione, dove la luce segue traiettorie curve, il tempo scorre a velocità diverse in punti diversi, le stelle più grandi finiscono per diventare buchi neri; in quell’invisibile geometria possono prodursi increspature che si trasmettono sotto forma appunto di Onde Gravitazionali.

C’è voluto un secolo perché tutti i tasselli andassero al loro posto, e gli scienziati, che all’inizio facevano fatica a comprendere l’astratto modello ensteiniano, trovassero man mano le conferme sperimentali della sua teoria, anche delle previsioni che altri teorici hanno progressivamente tratto da quella teoria e che magari Einstein stesso non avrebbe immaginato. Oggi che anche le Onde Gravitazionali (previste da Einstein nel 1916) sono state osservate, questo lungo percorso è virtualmente concluso, e si può dire che l’eredità di Einstein è stata compiutamente raccolta. Tutto ciò che la mente del grande fisico “vide” partendo solo dalla convinzione che le cose dovessero stare così è ora un fatto verificato; peraltro, con questo tassello si completa non solo il quadro della Relatività Generale einsteiniana, ma anche il più ampio panorama di quello che è a volte chiamato il Modello Standard della Fisica, sia dell’infinitamente piccolo che dell’infinitamente grande. Dopo la scoperta nel 2012 del Bosone di Higgs, questa scoperta (che per l’equivalenza tra onde e particelle equivale alla scoperta del Gravitone, la particella mediatrice del campo gravitazionale) completa appunto la “griglia” di particelle e forze fondamentali che è descritta nell’immagine qui sotto:

I costituenti fondamentali

I costituenti fondamentali delle nostre teorie fisiche

 

E ora? In un certo senso, è finita un’era. Alcune ricerche che duravano da decenni e su cui si nutrivano importanti aspettative (non a caso le Onde Gravitazionali aprivano l’elenco delle possibili scoperte del 2016 che indicavamo in un nostro recente post) hanno finalmente avuto successo, e non ci sono nuove scoperte altrettanto attese da fare. Il principale “mistero” che i fisici hanno davanti, a mio avviso, è costituito dalla cosiddetta materia oscura, che dobbiamo ritenere costituisca un’ampia parte della materia dell’Universo e che non sappiamo di cosa sia costituita. Se non fosse per questo, si potrebbe nutrire l’opinione che la lunghissima ricerca dei costituenti fondamentali del nostro Universo sia terminata, e che la Fisica debba d’ora in poi occuparsi solo di temi più “applicati” (che non mancano). Esiste poi un problema più concettuale che sperimentale, che consiste nel fatto che le due teorie che descrivono l’ “infinitamente grande” (appunto la Relatività Generale) e l’ “infinitamente piccolo” (la Meccanica Quantistica) non sono coerenti tra loro e quindi non conosciamo un modo per conciliarle in modo da descrivere le situazioni molto estreme in cui ci si trova alla “frontiera” in cui entrambe dovrebbero potersi applicare. È certamente la spia che c’è qualcosa che non abbiamo ancora capito, ma nella pratica entrambe le teorie, all’interno del loro ambito, funzionano straordinariamente bene.

Questa situazione, ironicamente, somiglia molto a quella in cui la Fisica si trovò verso la fine dell’Ottocento: la formalizzazione delle leggi dell’elettromagnetismo con le equazioni di Maxwell sembrò il coronamento del percorso avviato da Newton, la cui descrizione dei fenomeni gravitazionali, d’altro canto, appariva tuttora valida. Tutte le forze di natura avevano una loro descrizione, e, anche se c’erano alcune zone d’ombra residue, non sembrava che dovessero mettere in discussione il maestoso edificio della Fisica Classica. Invece, solo un paio di decenni dopo, quell’edificio sarebbe stato demolito e ristrutturato, con il decisivo contributo proprio di Einstein.

Oggi, le teorie di Einstein sono la pietra angolare di un’edificio che nuovamente appare pressoché completo; anche in questo caso come dicevamo c’è qualche zona d’ombra e delle teorie profondamente rivoluzionarie che cercano di far leva su queste “piccole” crepe; tra di esse le più popolari sono la Supersimmetria e la teoria delle Stringhe. Anche queste teorie hanno, in fondo, pochissime ragioni d’essere, se non la difficoltà di conciliare tra loro la Relatività Generale e la Meccanica Quantistica, e l’idea che le leggi della Fisica debbano essere il più generali e unificate possibile; di nuovo, i rivoluzionari sono profondamente convinti che le cose debbano stare così: essi ritengono che non sia sufficiente avere un modello completo della realtà, ma occorra anche che il modello spieghi non solo come sia fatto l’Universo, ma anche perché l’Universo è fatto così, all’interno di una teoria unificata del tutto.

Però, per quanto seducente sia un simile punto di vista, le ultime generazioni di fisici teorici non sono stati in grado di produrre una teoria che possa essere conclusivamente confutata con osservazioni sperimentali; quelle di cui disponiamo, in realtà, tendono a farci pensare che queste teorie siano errate, e che semmai quello che ci è richiesto sia proprio una nuova reinterpretazione dei concetti di spazio e tempo, come a suo tempo fece Einstein. Abbiamo bisogno di un programma forse meno ambizioso di quello che proporrebbe la combinazione tra Supersimmetria e Stringhe, che continuano ad avere moltissimi sostenitori, che le considerano teorie troppo eleganti per non essere vere. È insomma lecito chiedersi fino a che punto possiamo attenderci che la Natura sia disposta ad assecondare le nostre preferenze estetiche e concettuali, fino a che punto possiamo spingere la nostra pretesa che le cose debbano stare così, che una teoria elegante e concettualmente soddisfacente debba anche essere vera.

Forse, semplicemente, ai brillanti teorici contemporanei (tra i quali probabilmente il più “einsteiniano” è il nostro Rovelli) manca l’umiltà del genio: il grande fisico tedesco aveva il gran dono di saper ricercare la verità nella semplicità; oggi, le costruzioni teoriche a cui facevo cenno sono quasi più un omaggio all’ingegno dei loro architetti che a quel senso spirituale di ammirazione per la Natura che guidava nell’esplorazione del tessuto dell’Universo colui che ne ha straordinariamente allargato la nostra comprensione quasi da solo: Albert Einstein.

 

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