Onda su Onda…arriveremo al Big Bang 

Un mio articolo su Il Foglio del 31 gennaio .
Onda su onda…Nel magistrale manuale di divulgazione del 1938, L’evoluzione della fisica, scritto insieme all’astrofisico polacco Leopold Infeld, Einstein si chiedeva: “cos’e’ ( in fisica) un’onda?”. E rispondeva: “immaginat un pettegolezzo raccontato a Washington che raggiunge, molto rapidamente, New York e senza che chi l’ha raccontato viaggi tra le due citta”. Insomma l’onda ( in fisica ) e’ nient’altro che informazione che si muove veloce. Curioso: 80 anni dopo, e’ proprio quello che e’ capitato capitato allo stesso Einstein. O meglio, ad una delle ipotesi piu’ elusive e, ancora, misteriose della sua teoria della relativita’: le onde gravitazionali. E’ bastato un twitt dall’Arizona, quasi un pettegolezzo, di un astrofisico di fama, Lawrence Krauss, l’autore del best seller La fisica di Star Trek, a mettere in agitazione fisici e curiosi in tutto il mondo. Nel twitt lo scienziato ( ma anche attore, produttore e scrittore) diffondeva un rumor: “ forse il Ligo (un gigantesco interferometro costruito a Livingstone nel 2002) ha scoperto le onde gravitazionali”. Di colpo la notizia ha fatto il giro del Web. E, come nel caso del bosone di Higgs, un pubblico di massa ha preso contatto con uno dei misteri piu’ resistenti della fisica del 900: l’ultimo dilemma, ancora insoluto, della teoria della relativita’. Esattamente 100 anni fa, nel 1916, Albert Einstein concludeva la stesura del suo capolavoro scientifico. Da allora quasi tutto della costruzione di Einstein e’ stato provato e verificato. Tutto tranne un “dettaglio”: le onde gravitazionali. Einstein le ipotizzo’ come una conseguenza inevitabile della sua nuova ipotesi fisica della gravita’. Ma era talmente scettico sulle possibilita’ di rintracciarle, da concludere con pessimismo: “non le troverete mai”. Ancor piu’ che le elusive particelle elementari scovate nei fantascientifici acceleratori del Cern, le onde gravitazionali presentano, infatti, difficolta’ tecnologiche quasi sovrumane, alla loro scoperta. E, tuttavia, il mondo si e’, caparbiamente, dedicato alla scoperta di quelle onde: una caccia tra le piu’ affascinanti della storia della tecnologia.. Con impianti e progetti avveniristici, come vedremo. Ma, per cominciare, cosa sono le onde gravitazionali? Facile a dirsi: increspature, oscillazioni, vibrazioni di quello che la relativita’ definisce spaziotempo. Einstein ragiono’ cosi’: ogni oggetto massivo o corpo che vibra o si muove in un mezzo- in un liquido (onde del mare), in un fluido, nella’aria (onde sonore), nel vuoto ( onde elettromagnetiche)- produce onde. Che altro non sono che perturbazioni, oscillazioni, vibrazioni. Che nascono da una sorgente materiale e si propagano, nello spazio e nel tempo. Queste perturbazioni trasportano dell’energia. Anzi, altro non sono che scuotimenti di energia. La cui intensita’, altezza, lunghezza e frequenza, noi misuriamo, con strumenti: antenne, interferometri ecc. Non c’era ragione, concludeva Einstein, perche’ lo stesso fenomeno, la produzione di onde, non debba verificarsi quando un oggetto, dotato di massa, e’ sottoposto a gravita’: attraversa un campo gravitazionale. Non fa una piega. A condizione, pero’, che egli abbia azzeccato la sua definizione di gravita’: non piu’ forza che attrae, come si era sempre pensato fino a Newton, ma come spazio ( e tempo) che si incurva e si deforma al passaggio di oggetti massivi. La mela di Newton, insomma, cade non perche’ sia attratta dalla Terra. Da qualche forza particolare, misteriosa, invisibile. Lo stesso Newton, che pure calcolo’ in modo preciso la matematica della gravitazione, era infastidito da questa idea fantasmatica, ineffabile e impercettibile di gravita’. Poco elegante per una mente razionale. Einstein rovescio’ la credenza e sbalordi’ il senso comune: non c’e’ nessuna forza che attrae o risucchia la mela verso il terreno. Nessun fantasma: la mela cade verso terra perche’ percorre uno spazio obbligato, una “traiettoria incurvata”, dice Einstein, dalla stessa massa dell’oggetto che cade: che “dice allo spazio come curvarsi” . E’ come se l’oggetto scendesse lungo un senso unico. Non e’ attratto da nulla. E’ lo spazio che percorre, dall’albero al terreno, che e’ distorto in modo tale che la mela non puo’ che finire a terra. La gravita’, insomma, non e’ una forza: e’ una geometria. Lo spazio assomiglia ad una tela, con una geometria in quattro dimensioni (le tre dimensioni conosciute piu’ il tempo). Elastica e flessibile: che si deforma e si incurva al passaggio di un corpo. Di qui l’analogia tra lo spaziotempo gravitazionale e gli altri mezzi in cui si producono onde. Come un oggetto che si muove o vibra in un liquido, solido o gas ( aria) produce onde materiali e come una carica elettrica che si muove nello spazio produce onde elettromagnetiche (raggi x, luce, onde radio ecc ) anche un corpo immesso in un campo gravitazionale, lo spaziotempo, deve generare onde: onde gravitazionali. Se la gravita’ relativistica ( non forza che attrae ma deformazione della geometria dello spazio) e’ azzeccata, le onde gravitazionali devono esserci, da qualche parte. E finche’ non si trovano resta un’ombra sulla relativita’. Il puzzle dura da 100 anni. Perche’ e’ cosi’ difficile trovarle? La spiegazione piu’ convincente rimanda ad una caratteristica sorprendente della gravita’: la sua straordinaria debolezza. E’ controintuitivo. La gravita’ sembrerebbe la forza piu’ forte in natura. E’ la piu’ debole. Pensateci: se alzate un braccio state vincendo, senza alcuna fatica, la resistenza dell’intera gravita’ terrestre: di tutta la grande massa della Terra. Provate invece a spezzare un atomo: vi occorre una potenza immensa per vincere la forza nucleare forte, quella che tiene insieme i nuclei degli atomi. Nessuno sa spiegarsi la debolezza della gravita’. Non mancano ipotesi suggestive. La piu’ affascinante e’ certamente quella avanzata da Roger Penrose, celebre fisico, matematico e cosmologo britannico: la gravita’ e’ cosi’ debole perche’ e’ l’unica, tra le quattro forze della natura (la forza debole, quella nucleare forte, l’elettromagnetica) che viaggia non solo nelle quattro dimensioni a noi note dell’universo ma anche in altre dimensioni di esso che noi non percepiamo. Decisamente intrigante. Comunque: e’ la debolezza della gravita’ che impedisce di catturare le onde gravitazionali. I calcoli dicono che per generare un’onda gravitazionale di intensita’ appena apprezzabile occorre che a produrla sia uno spostamento originato dall’accelerazione di un corpo di massa enorme: la massa di stelle e pianeti. Per questo le onde gravitazionali possono essere ricercate solo nello spazio profondo: osservando oggetti esotici o ambienti estremi e dai movimenti violenti come stelle di neutroni, supernove, stelle binarie o supposti buchi neri. E non e’ tutto. L’oggetto che genera l’onda deve essere enorme. Ma l’onda che esso produrrebbe e’, fantasticamente, piccola: 10-21 metri (0,000000000000000000001 metri). Sapete che lunghezza e’? E’ quella inferiore, di un milione di volte, al diametro di un protone. Una distanza al di la’ di ogni possibilita’ umana di misura. Ma l’uomo e’ il suo genio: la caccia alle onde fantasma e’ in corso. Nonostante lo scetticismo di Einstein, la fantastica piccolezza delle onde gravitazionali pare, ormai, alla portata dell’uomo. La sfida epocale per la loro cattura e’ trasversale tra i grandi del mondo. Con rivelatori, macchine, strumenti ed esperimenti ai confini della fantascienza. E dei limiti naturali del nostro ambiente fisico. Anzitutto con le gigantesche antenne gravitazionali Ligo e Virgo (la prima a Livingstone negli Usa e la seconda in Italia in provincia di Pisa ). Sono interferometri laser: cavita’ lunghe chilometri che sfruttano le interferenze, impercettibili alle facolta’ umane, tra fasci di luce fatti incrociare tra loro tramite un sistema di specchi. Se un fascio di luce incontra un’onda gravitazionale, arrivera’ sfasato ( leggermente in ritardo) all’incontro con l’altro fascio. E uno strumento, in quel caso, registrera’ la presenza dell’onda misteriosa. Semplice? Per cogliere oscillazioni nella luce di 10-21 metri occorre che, intorno ai fasci di luce, il vuoto sia assoluto ed ogni piu’ piccola fonte di rumore o disturbo sia eliminata. Negli interferometri laser il vuoto e’ tale da risultare un milione di volte piu’ rarefatto dell’aria che respiriamo. E per crearlo si ricorre al freddo: creando temperature vicinissime al freddo assoluto (-273,15C). Esistenti solo nello spazio remoto e tali da fermare perfino le oscillazioni termiche dinatomi e particelle. Ma stupirsi per gli interferometri esistenti e’ nulla rispetto a Lisa: il fantastico progetto di interferometro cosmico che europei (Esa) ed americani (Nasa) costruiranno intorno al…Sole. Tre satelliti ruoteranno intorno alla nostra stella ad una distanza tra loro di 5 milioni di Km di lato. Costituiranno un triangolo equilatero perfetto che operera’ come un interferometro. I satelliti si scambieranno fasci laser. Essi, all’interno dei satelliti, andranno a colpire un carico fatto di un cubo, 2 Kg di oro e platin, fatto fluttuare nell’ambiente vuoto dei tre satelliti. I fasci laser viaggeranno, tra i satelliti del triangolo, in modo perfettamente sincrono. Ma se l’enorme massa del sole creera’ le microscopiche onde gravitazionali, come dovrebbe essere, e una di esse colpira’ il raggio laser, questi arrivera’ con minuscolo ritardo sul cubo d’oro. E il raggio risultera’ sfasato, deviato, ritardato. In modo incredibilmente minuscolo ma percettibile dagli strumenti. E noi sapremo che e’ passata un’onda gravitazionale. Ma, alla fine, cosa ci direbbero, veramente, le onde gravitazionali se le scovassimo? Che Einstein aveva ragione. E poi? Informazioni sulla gravita’ dello spazio profondo. Ma, soprattutto, una cosa: la verita’ definitiva sul Big Bang. La cosmologia del Big Bang ha ancora punti oscuri. Due soprattutto. E molto curiosi. Primo: perche’ il cosmo e’ isotropico (la stessa forma)? Pensateci: ovunque guardiamo nel cielo profondo, l’universo sembra essere uguale a se stesso: contiene le stesse cose che mostrano le stesse leggi di funzionamento. Sembra che ogni parte del cosmo si sia scambiata informazioni con ogni altra parte. Che tutte siano cresciute in simbiosi. Ma questo non e’ possibile. L’universo e’ cosi’ vasto. Ci sono distanze, tra due punti diversi del cosmo, talmente grandi che la luce dell’uno non ha fatto ancora in tempo, in 13,7 miliardi di anni, a raggiungere l’altro. Come ha fatto l’universo, allora, a risultare cosi’ uniforme? E’ un mistero. Un altro. La fisica avanza un’ipotesi: a qualche frazione di secondo dall’istante zero del Bin Bang, l’ineffabile tempo T, l’inizio di tutto, una gigantesca misteriosa inflazione ha dilatato le dimensioni del minuscolo universo nascente. Un rigonfiamento enorme, improvviso, inspiegato (ancora). Che ad una velocita’ superiore alla luce ha dato al cosmo appena nato le dimensioni di un’arancia. E le fattezze di una sfera omogenea, piatta. In cui ogni punto era uguale ad ogni altro. Ecco le ragioni dell’uniformita’. L’energia della dilatazione, dell’inflazione, del rigonfiamento potrebbe aver prodotto echi, sotto forme di onde gravitazionali. Ma c’e’ un altro puzzle che inquieta la cosmologia. E’ l’esatto opposto del mistero dell’uniformita’: perche’ esistono stelle e galassie? Com’e’ che nell’universo, pur uniforme e isotropico dell’inflazione e della grande espansione, si sono prodotte quelle discrepanze, quei grumi di difformita’ che chiamiamo stelle e galassie? Non dovrebbe esserci nulla nel cosmo: solo un’eterna e noiosa dilatazione di spazio vuoto ed omogeneo. Solo una raccapricciante uniformita’. E invece: abbiamo stellSe esistessero, le onde gravitazionali sarebbero una risposta. Potrebbe darsi che proprio la diversa e variegata intensita’ del fascio di onde gravitazionali, prodotte dalla fase di inflazione del Big Bang, sia la spiegazione di difformita’, disomogeneita’ e differenze nella trama dell’universo originario da cui sono nate, successivamente, stelle e galassie. C’e’ un’immagine dell’universo a soli 400.000 anni dalla nascita e dalla presunta inflazione. E’ quella, celebre ed enigmatica, prodotta dalle rilevazioni del satellite Cobe (1989) che indago’ il residuo fossile della radiazione emessa all’epoca della separazione, 400.000 anni dopo il Big Bang appunto, tra fotoni e ed atomi. E che rese trasparente e non piu’ opaco l’universo. L’immagine di Cobe, ormai un cult, mostra le difformita’ originarie che spiegano la successiva aggregazione di stelle e galassie. La scoperta delle onde gravitazionali potrebbero, pero’, spiegare le ragioni di quelle difformita’

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