Onde gravitazionali: ora le abbiamo viste

Le abbiamo viste! Le onde gravitazionali, leggerissime increspature dello spazio-tempo, si sono finalmente manifestate al sensibilissimo interferometro californiano Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), costruito apposta per loro. Ma a parte l’euforia generale e la soddisfazione dei ricercatori che hanno partecipato al progetto e che già sentono il profumo di premio Nobel, qual è l’importanza profonda di questa scoperta?

Innanzitutto si tratta di una conferma della teoria della Relatività generale che le ha previste cento anni tondi tondi fa. Se una teoria prevede l’esistenza di una cosa, è bene che questa cosa ci sia, altrimenti può nascere il dubbio che la teoria non funzioni proprio benissimo. Ma c’è di più.

La descrizione dei fenomeni naturali in fisica classica è suddivisa in due grandi famiglie. Da un lato ci sono fenomeni che possono essere ben descritti in termini di corpi che si muovono, per esempio il moto dei pianeti intorno al Sole o la pressione nei gas (data dal moto delle molecole che li compongono). I corpi hanno una posizione ben determinata nello spazio, una velocità, un’accelerazione, e così via, secondo leggi determinate dalla meccanica «classica». Dall’altro abbiamo i cosiddetti fenomeni a carattere ondulatorio, come le onde sonore e le onde elettromagnetiche – compresa la luce – che sono invece caratterizzati da grandezze fisiche che descrivono lunghezza, frequenza, ampiezza dell’oscillazione. Per loro natura le onde non hanno una localizzazione precisa nello spazio.

Per lungo tempo ci si chiese se la luce fosse un fenomeno corpuscolare (come sostenuto da Newton) o un’onda. Di fronte all’evidenza degli esperimenti si optò per la seconda. La gravità, dominata dalle masse, era invece chiaramente del primo tipo. Ma a cavallo tra Otto e Novecento vennero scoperte le prime particelle cariche costituenti la struttura dell’atomo, il protone e l’elettrone. Si comprese che l’atomo era un nucleo di protoni a carica elettrica positiva attorno al quale ruotano gli elettroni carichi negativamente. Un sistema solare in miniatura, governato dalla forza elettromagnetica invece che dalla gravità. Peccato che, per le leggi della fisica allora note, un siffatto sistema non potesse esistere: gli elettroni in rotazione perdono energia e avrebbero dovuto cadere sul nucleo in un tempo brevissimo. Nacque così la meccanica ondulatoria, dove le cariche perdono la loro corporeità e diventano onde.

La fisica quantistica con Planck ed Einstein aveva d’altra parte mostrato che le onde elettromagnetiche trasportano la loro energia in pacchetti, chiamati appunto quanti o fotoni, che possono essere interpretati come particelle di luce. Si arrivò a capire che i fenomeni naturali non sono intrinsecamente di tipo corpuscolare o ondulatorio, ma si manifestano come tali a noi osservatori a seconda dell’esperimento. È il cosiddetto dualismo onda-corpuscolo. Della forza elettromagnetica abbiamo già osservato aspetti sia corpuscolari che ondulatori. La forza di gravità, di cui conoscevamo solo i corpi, le masse, ci ha mostrato ora la sua faccia ondulatoria.

La teoria della Relatività Generale (scheda)
La teoria della Relatività generale presenta una descrizione matematica piuttosto complessa, ma la sua essenza può essere compresa facilmente ricorrendo a una analogia geometrica. Immaginate un universo a due dimensioni rappresentato da un piano, un telo elastico. Una pallina corre su questo piano in linea retta. Se posiamo ora sul telo una palla di ferro, per esempio una boccia, questa provoca una buca. La traiettoria di una pallina che passi in prossimità della boccia viene deviata, è come se la boccia attraesse la pallina attraverso una misteriosa forza. Questo è ciò che accade nel nostro universo secondo la Relatività generale, con la differenza che le dimensioni della nostra realtà, lo spazio-tempo, non sono due ma quattro, una temporale e tre spaziali. Senza masse, questo spazio è «piano». La presenza di masse, stelle e pianeti, deforma lo spazio-tempo come càpita con la boccia sul telo elastico. Si noti, anche il tempo. In particolare una massa molto grande (per esempio un buco nero) rallenta gli orologi fino a fermarli. Il luogo dove ciò avviene si chiamaorizzonte degli eventi. In questa descrizione geometrica le onde gravitazionali possono essere interpretate come increspature sul telo che si propagano dal luogo in cui sono state generate verso la periferia.

Vedere le onde gravitazionali (scheda)
Ricorrendo a un’altra analogia, le onde gravitazionali increspano la struttura dello spazio tempo un po’ come fanno le onde provocate dal lancio di un sasso su uno specchio d’acqua. A differenza dell’acqua però le onde gravitazionali non possono essere viste direttamente. Come si può fare per rivelarle? Se sul pelo dell’acqua poniamo una barchetta di carta, al passaggio delle onde la vedremo oscillare ritmicamente in alto e in basso a causa della perturbazione della superficie liquida. Analogamente le onde gravitazionali strizzano e tirano lo spazio-tempo, contraendo e espandendo le distanze. L’entità di questa oscillazione ha dimensioni proibitive: un miliardesimo di miliardesimo di metro. Eppure gli interferometri di Ligo, le nostre barchette di carta, il nostro «metro», sono stati disegnati e perfezionati per raggiungere e superare questo limite. Come si può però misurare l’allungamento o l’accorciamento di una distanza se anche il nostro metro contemporaneamente si allunga o si accorcia? Per fortuna l’allungamento/accorciamento avviene solo trasversalmente alla direzione di propagazione dell’onda, per cui misurando contemporaneamente in due direzioni perpendicolari è possibile osservare l’effetto. Per inciso, lo stesso principio di misurazione fu utilizzato nell’esperimento di Michelson e Morley che nel 1887 dimostrò l’inesistenza dell’etere luminifero e la costanza della velocità della luce (c) per qualunque osservatore, gettando le basi per la teoria della Relatività.