Una probabilmente non è caduta davvero sulla testa di Sir Isaac Newton nel 1665, facendo perdere l’illuminazione sulla natura dei corpi in caduta. E già che ci sei, dimentica quello che hai imparato a scuola sulla gravità. Non è così che funziona davvero. Ma non prendeteci in parola. Lasciamo che i principali contendenti nella storia della teoria gravitazionale si sfidino da soli.
Round 1: Newton
“La gravità esiste davvero”, dichiarò Newton nel 1687. “Agisce secondo le leggi che abbiamo spiegato, e serve abbondantemente a spiegare tutti i moti dei corpi celesti”. Prima di Newton, nessuno aveva sentito parlare di gravità, per non parlare del concetto di una legge universale.
L’università di Cambridge, dove Newton studiò, fu chiusa a causa della peste nel 1665. Trovando tregua nella sua casa d’infanzia, il 23enne si immerse in mesi di febbrile brainstorming matematico. Questo, più una dubbia discesa di mele nel frutteto sul retro, pose le basi per il suo capolavoro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Nei Principia, Newton descrisse la gravità come una forza sempre presente, uno strattone che tutti gli oggetti esercitano sugli oggetti vicini. Più massa ha un oggetto, più forte è il suo strattone. Aumentando la distanza tra due oggetti si indebolisce l’attrazione.
Le spiegazioni matematiche di Principia di queste relazioni erano semplici ed estremamente pratiche. Con le sue equazioni, Newton fu in grado di spiegare per la prima volta perché la Luna rimane in orbita intorno alla Terra. Ancora oggi, usiamo la matematica di Newton per prevedere la traiettoria di un lancio di softball o dell’atterraggio degli astronauti sulla Luna. In effetti, tutte le osservazioni quotidiane sulla gravità sulla Terra e nei cieli possono essere spiegate abbastanza precisamente con la teoria di Newton.
Ok, ci crediamo. Ma come funziona?
Ciao?
Silenzio dall’angolo del ring di Newton.
La verità è che Newton poteva descrivere la gravità, ma non sapeva come funzionasse. “La gravità deve essere causata da un agente che agisce costantemente secondo certe leggi”, ammise. “Ma se questo agente sia materiale o immateriale, l’ho lasciato alla considerazione dei miei lettori.”
Per 300 anni, nessuno ha veramente considerato quale potesse essere questo agente. Forse tutti i possibili contendenti erano intimiditi dal genio di Newton. Quell’uomo ha inventato il calcolo, per l’amor del cielo.
Ding. Round 2: Einstein
A quanto pare Albert Einstein non era intimidito. Si è persino scusato. “Newton, perdonami”, scrisse nelle sue memorie. “Hai trovato l’unico modo che, alla tua età, era appena possibile per un uomo di altissimo pensiero e potenza creativa.”
© Einstein Archives Hebrew University of Jerusalem
Nel 1915, dopo otto anni di ordinamento dei suoi pensieri, Einstein aveva sognato (letteralmente – non aveva precursori sperimentali) un agente che causava la gravità. E non era semplicemente una forza. Secondo la sua teoria della Relatività Generale, la gravità è molto più strana: una conseguenza naturale dell’influenza di una massa sullo spazio.
Einstein era d’accordo con Newton che lo spazio aveva dimensioni: larghezza, lunghezza e altezza. Lo spazio poteva essere pieno di materia, oppure no. Ma Newton non credeva che lo spazio fosse influenzato dagli oggetti in esso contenuti. Einstein sì. Teorizzò che una massa può produrre molto spazio. Può deformarlo, piegarlo, spingerlo o tirarlo. La gravità era solo un risultato naturale dell’esistenza di una massa nello spazio (Einstein, con la sua Teoria della Relatività Speciale del 1905, aveva aggiunto il tempo come quarta dimensione allo spazio, chiamando il risultato spazio-tempo. Grandi masse possono anche deformare il tempo accelerandolo o rallentandolo).
Puoi visualizzare la curvatura di gravità di Einstein salendo su un trampolino. La vostra massa provoca una depressione nel tessuto elastico dello spazio. Fai rotolare una palla oltre la curvatura ai tuoi piedi ed essa curverà verso la tua massa. Più sei pesante, più pieghi lo spazio. Guarda i bordi del trampolino: la curvatura diminuisce più lontano dalla tua massa. Così, le stesse relazioni newtoniane sono spiegate (e previste matematicamente con maggiore precisione), ma attraverso una lente diversa dello spazio deformato. Prendi questo, Newton, dice Einstein. Con rammarico.
La teoria di Einstein ha anche trionfalmente fatto un buco nella logica di Newton. Se, come sosteneva Newton, la gravità era una forza costante e istantanea, l’informazione su un improvviso cambiamento di massa avrebbe dovuto essere in qualche modo comunicata in tutto l’universo in una sola volta. Questo aveva poco senso per Einstein. Secondo il suo ragionamento, se il Sole scomparisse improvvisamente, il segnale per i pianeti di smettere di orbitare dovrebbe logicamente richiedere un certo tempo di viaggio. E ci vorrebbe sicuramente più tempo per arrivare a Plutone che a Marte. Non c’è niente di universalmente istantaneo in tutto ciò.
Cosa propose Einstein come agente di comunicazione mancante? Di nuovo, la sua utilissima curvatura spaziale. Proprio come un sasso lanciato in uno stagno, un cambiamento di massa causerà un’increspatura nello spazio che viaggia dalla sua fonte in tutte le direzioni alla velocità della luce. Mentre si muove, l’increspatura comprime e allunga lo spazio. Chiamiamo tale perturbazione un’onda gravitazionale.
Con questo colpo finale, la Relatività Generale di Einstein spiegava tutto ciò che la teoria di Newton faceva (e alcune cose che non faceva), e meglio. “Sono pienamente soddisfatto”, disse Einstein nel 1919. “Non dubito più della correttezza dell’intero sistema”
In questo round, vittoria di Einstein.
Ding. Round 3: La prossima onda
Einstein può aver previsto le onde gravitazionali, ma aveva poca fiducia che gli scienziati le avrebbero mai rilevate. Le onde gravitazionali comprimono e allungano lo spazio solo di poco. Infatti, è ridicolmente, orribilmente, quasi impossibilmente piccolo: una distanza centinaia di milioni di volte più piccola di quella di un atomo.
Finora, Einstein ha avuto ragione. Sono passati otto decenni da quando ha introdotto la Relatività Generale, e un’onda gravitazionale non è ancora stata rilevata. Non è stato fino al 1974 che gli scienziati ci sono andati vicino. Quell’anno due radioastronomi, Joseph Taylor e Russell Hulse, stavano analizzando una coppia di stelle di neutroni (stelle collassate superdense) che orbitano l’una intorno all’altra. Hulse e Taylor si resero conto che le orbite stavano accelerando ad un ritmo che Einstein aveva previsto che si sarebbe verificato se le onde gravitazionali fossero state effettivamente generate dal sistema. La prima prova indiretta delle onde gravitazionali c’era, ma le onde stesse non furono misurate direttamente.
Anche se qualsiasi oggetto può generare onde gravitazionali, solo quelli estremamente massicci producono deformazioni dello spazio abbastanza grandi da essere misurate. Tali gargantueschi cambiamenti di massa si trovano solo nello spazio, come le stelle di neutroni in orbita, i buchi neri in collisione o le supernove. I ricercatori stanno ora cercando le onde provenienti da queste fonti con uno degli strumenti scientifici più precisi mai realizzati: LIGO, il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory. LIGO è gigantesco, intelligente e strano, e ci sono voluti più di 365 milioni di dollari e 30 anni per svilupparlo. La sua capacità di misurare distanze infinitesimali potrebbe aiutare a mettere la “scoperta” delle onde gravitazionali sulla prima pagina di ogni giornale in qualsiasi momento e annunciare il prossimo grande round nella nostra comprensione della gravità.
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Timeline della storia della gravitazione
Vedi il documento sulla relatività generale di Einstein e un’immagine dell’ondulazione dello spazio
