Un'impresa che vale il Nobel per la fisica 2017
NOCI (Bari) - Martedì tre ottobre 2017 è stato assegnato il premio Nobel per la fisica a Kip Thorne, Ray Weiss e Barry Barish, tre scienziati americani per “il contributo decisivo al rilevatore Ligo e all'osservazione delle onde gravitazionali".
Sono le 11:45 alla Reale Accademia delle Scienze di Stoccolma, le 5:45 al Massachusetts Institute of Technology dove Rainer Weiss, 85 anni, nato in Germania attende con trepidazione un annuncio che da più parti pareva scontato; agli scienziati Kip Thorne, 77 anni, e Barry Barish di 81 anni del California Institute of Technology è toccato svegliarsi alle 2:45 per collegarsi, aspettare e festeggiare.
Chissà poi se si riesce a chiudere occhio la notte che precede l’annuncio di un premio Nobel per la fisica che con buone probabilità ti riguarda. Chissà se gli scienziati impegnati nella ricerca delle onde gravitazionali hanno dormito la notte di quell'11 febbraio 2016 quando al Press Club di Washington ne veniva confermata la rilevazione avvenuta il 14 settembre del 2015. Sono stati necessari 40 anni di lavoro per rendere possibile la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali grazie al Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo) e alla tecnologia messa in campo dell'osservatorio europeo Virgo di Cascina, in provincia di Pisa, dove i ricercatori europei del consorzio di ricerca Ligo-Virgo partecipavano all'analisi dei dati.
Pensare alle emozioni che accompagnano scoperte di questo calibro rende molto più vicino a noi ciascuno di quei ricercatori (circa un migliaio) che hanno contribuito al risultato. Ciascuno di loro avrebbe meritato il premio Nobel, ma il premio può essere tradizionalmente assegnato solo a singoli ricercatori e non a organizzazioni di ricerca come la collaborazione Ligo-Virgo che conserva il merito di aver contribuito in maniera sostanziale a cambiare la fisica.
Si, perché da quel memorabile 11 febbraio 2016 la fisica è cambiata e la Reale Accademia delle Scienze di Stoccolma non poteva che tenerne conto: Nobel a Thorne, Weiss e Barish per “il contributo decisivo al rilevatore Ligo e all'osservazione delle onde gravitazionali". Questi scienziati hanno perfezionato il metodo che ci ha permesso di rilevare le onde gravitazionali e dire ancora una volta che Albert Einstein aveva ragione: lo spazio-tempo si può increspare!
Come hanno fatto?
Con Ligo, un particolare interferometro laser fondato nel 1984 proprio da Thorne e Weiss e che ha iniziato ad essere funzionante dal 2002.
Cos’è un interferometro?
L’interferometro è uno strumento che permette di studiare come interagiscono le onde elettromagnetiche come la luce. E’ formato da una serie di specchi che separano, riflettono e fondono insieme dei fasci di luce provenienti dalla stessa fonte.
Un fascio di luce viene diviso da uno specchio in due fasci uguali che seguono percorsi diversi per poi essere riflessi, tornare indietro e riunirsi prima di raggiungere un rilevatore. L’eventuale differenza tra i percorsi crea una sfasatura fra i due fasci e dà vita alle interferenze. Il rilevatore le identifica e consente di eseguire una diagnosi accurata, ad esempio, sulla variazione della lunghezza del percorso che ha causato la sfasatura e quindi l’interferenza. Questo rende l'interferometro un metodo consolidato per misurare distanze con alta precisione.
Ligo ha fatto proprio questo: ha misurato con estrema precisione la differenza tra le distanze che ha causato delle interferenze nei fasci di luce nei 4 Km dei tunnel dell’interferometro di Livingston in Louisiana. Questi 4 km, attraversati dalle onde gravitazionali, non erano più 4000 metri, ma qualcosa di diverso, seppure impercettibilmente: la differenza trovata tra le distanze è migliaia di volte più piccola del nucleo dell’atomo di idrogeno!
Un’impresa monumentale, per ottenere la conferma sperimentale di un aspetto della teoria della Relatività Generale di Einstein tra i più discussi e che ha visto lo stesso illustre scienziato cambiare idea a riguardo diverse volte.
La teoria della Relatività è la più completa e verificata teoria scientifica che spiega la gravità. Con la Relatività Speciale nel 1905 Einstein demolisce senza appello la nostra concezione di tempo e di spazio come contenitori delle cose dell’universo: lo scorrere del tempo non è uguale dappertutto e le cose non misurano sempre la stessa lunghezza, ma tempo e spazio dipendono dalla velocità con cui ci muoviamo. L’unica cosa indipendente e costante è la velocità della luce, limite massimo raggiungibile.
La Relatività Generale aggiunge un altro tassello e spiega cosa accade allo spazio e al tempo in presenza di grosse masse, cioè della gravità: anche la gravità cambia lo scorrere del tempo e cambia le distanze, lo spazio. La Relatività Generale è una teoria estremamente complicata, ma la sua bellezza è chiara e per comprenderla serve soltanto rispolverare gli studi delle scuole superiori. Le forze fanno muovere gli oggetti, ad esempio le forze elettriche o magnetiche permettono ai corpi carichi di attrarsi o respingersi anche se questi non sono a contatto; la forza gravitazionale permette ai pianeti di muoversi anche se questi non sono a contatto (per fortuna!). Le forze agiscono a distanza! E’ il “campo” che permette alle forze di agire a distanza nello spazio: il campo elettrico generato da una particella carica agisce sulle particelle cariche dei paraggi e le mette in moto. Vale lo stesso per il campo gravitazionale, più debole, che ha quindi bisogno di masse enormi per essere notato. La teoria della Relatività Generale, tra le altre cose, ci consegna una intuizione geniale, bellissima e comprovata: il campo gravitazionale, cioè quello generato dalle masse, non è, come quello elettrico diffuso “nello spazio”, ma è lo spazio! Lo spazio non è qualcosa in cui si muovono le cose, ma è la causa del moto: come la materia si flette, si muove, si incurva in presenza di grosse masse e queste curvature attirano e mettono in moto altre masse. In realtà non è solo lo spazio a flettersi, ma anche il tempo indissolubile dallo spazio e che con quello si incurva, cambia sotto l’azione di grandi masse!
Il tempo non è assoluto, ma cambia con lo spazio a seconda della nostra velocità che non può superare quella costante della luce. Questa è la Relatività Speciale. Lo spazio-tempo è il campo gravitazionale, generato dalle masse che lo incurvano e che si muovono a causa delle sue deformazioni. Questa è la teoria della Relatività Generale.
Viviamo in un universo in cui tempo e spazio “cambiano” vicino a grosse masse. Quando queste enormi masse si muovono molto velocemente possono generare delle deformazioni nello spazio-tempo che si propagano nel campo stesso: le onde gravitazionali hanno la capacità di allungare e restringere lo spazio-tempo man mano che si diffondono nell’Universo alla velocità della luce.
Le onde misurate da Ligo sono state generate da due oggetti di enorme massa, vicini, che si muovevano velocemente: due buchi neri, regioni di spazio in cui la curvatura dello spazio-tempo è talmente grande che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Questi due buchi neri vicini ruotano attorno a un centro comune a grande velocità, si avvicinano, aumentano la loro velocità e perdono energia generando delle increspature nello spazio-tempo: le onde gravitazionali che Ligo ha percepito come variazione piccolissima della distanza tra i due bracci di 4 km dell’interferometro usando la luce, la cui velocità costante non si piega con le deformazioni dello spazio-tempo propagate dalle onde gravitazionali.
Una rilevazione importante quella di Ligo-Virgo non solo perché consolida la Relatività Generale, ma anche perché apre a nuove frontiere di esplorazione dell’universo e, ad esempio, di quegli esotici buchi neri sui quali se “accendiamo i riflettori” non riusciamo a “vedere” nulla perché la gravità rapisce la luce, ma non, evidentemente, le onde gravitazionali: a cavallo di queste la nostra conoscenza dell’universo potrà raggiungere porti sconosciuti prima.
Bibliografia
https://www.nobelprize.org/
http://www.lescienze.it
Che cosa sono le onde gravitazionali?
Di Adele La Rana - http://aulascienze.scuola.zanichelli.it/
LIGO e le onde gravitazionali: misurare un’onda con un’altra onda
Di Andrea Oddo - http://italiaxlascienza.it/main/
Sette brevi lezioni di fisica
Di Carlo Rovelli - Adelphi
L’ordine del tempo
Di Carlo Rovelli - Adelphi
