Più di 100 anni dopo che Albert Einstein ha teorizzato nella teoria della relatività generale una spiegazione per la forza che governa lo spazio e il tempo, gli scienziati stanno ancora cercando di risolvere i misteri dei buchi neri e dell’universo quantistico.
Dalla frantumazione di particelle all’analisi delle proprietà di un buco nero supermassiccio, gran parte della ricerca fisica si svolge ben oltre il regno della nostra esperienza quotidiana. Tuttavia, c’è un segno distintivo della fisica che anche un bambino che gattona può comprendere intuitivamente: la gravità.
Gli effetti di questa forza sono sia piccoli (lavorando contro un bambino mentre impara a camminare) che vasti (controllando i movimenti dei corpi cosmici, come la Terra, attraverso le loro orbite invisibili nello spazio). A parte le nostre esperienze, la nostra prima introduzione formale alla gravità è in genere attraverso la lente di Newton, che descrive la gravità sia come:
- una forza convenzionalmente costante (piccola g) sulla Terra: per avere un’idea della grandezza o meno di un valore di accelerazione, si usa confrontarla con il valore di accelerazione che il campo gravitazionale terrestre provoca sugli oggetti che si trovano sulla superficie terrestre. Infatti tutti gli uomini, gli animali, le piante e gli oggetti sulla Terra sono sottoposti a questa accelerazione. Per questo parametro è stato fissato un valore convenzionale, che nelle unità di misura del Sistema Internazionale risulta pari a circa 9,8 metri al secondo quadrato.
- la costante gravitazionale di Newton (grande G)
Sebbene questa comprensione generalmente funzioni bene per la vita di tutti i giorni, è lontana dall’intera storia. Nel 1915, poco meno di 200 anni dopo la morte di Newton, Einstein pubblicò una nuova teoria della gravità chiamata teoria della relatività generale. Questa trasformò per sempre la nostra comprensione della fisica.
Secondo Nicolas Yunes, professore di astrofisica e relatività all’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, la relatività generale mostra che la gravità potrebbe non essere nemmeno una forza.
“Secondo Einstein, la gravità non è quindi una ‘forza istantanea’, come aveva predetto Newton, ma piuttosto una manifestazione della curvatura dello spaziotempo“, dice.
Relatività generale vs. ristretta
Un punto importante da chiarire prima di scavare a fondo della relatività generale è che Einstein ha effettivamente proposto due famose teorie della relatività. Dieci anni prima di mettere per iscritto le idee della relatività generale, scrisse una teoria chiamata relatività ristretta.
Elena Giorgi è un assistente professore di matematica presso l’Università della Columbia la cui ricerca si concentra in particolare sulla relatività generale. Spiega che una delle principali differenze tra le due teorie è che la relatività speciale “considera solo piccoli oggetti che si muovono in uno spaziotempo vuoto, mentre nella relatività generale sono consentiti oggetti massicci come stelle o galassie“.
In altre parole, la relatività ristretta espone idee importanti come la velocità della luce che è la stessa per tutti gli osservatori e le leggi della fisica valide indipendentemente dal sistema di riferimento (ad esempio sulla Terra o in un razzo in corsa). Successivamente, la relatività generale ha introdotto oggetti super pesanti e la gravità.
“La relatività generale dice che lo spazio e il tempo formano un continuum unificato, e questo continuum può essere distorto, curvato e allungato in presenza di materia“, spiega Yunes.
Un modo semplice per immaginarlo è immaginare cosa succederebbe se mettessi una palla da bowling su un materasso piatto. Intuitivamente, possiamo aspettarci che l’oggetto pesante affondi nel materasso e faccia curvare verso il basso l’area circostante. Einstein predisse che oggetti massicci nello spazio, come pianeti o persino buchi neri, avrebbero agito come palle da bowling cosmiche e avrebbero piegato il tessuto dello spaziotempo.
Invece di una forza esterna che crea la gravità, la teoria della relatività generale mostra che questa stessa curvatura è la gravità. Questa idea può sembrare impossibile date le nostre esperienze di gravità, ma ormai è da più di 100 anni gli scienziati la vedono agire nello spazio.
“Dalle prime osservazioni della deflessione della luce durante un’eclissi, al rilevamento più recente delle onde gravitazionali, ogni osservazione che facciamo sembra essere coerente con le previsioni della relatività generale“, afferma Yunes. «Almeno, finora.»
Oltre a rilevare le onde gravitazionali – increspature nello spaziotempo create quando due oggetti massicci come due buchi neri collidono nello spazio – gli effetti della relatività generale possono anche essere usati per aiutare gli scienziati a vedere più lontano nello spazio attraverso qualcosa chiamato lente gravitazionale. In poche parole, la gravità creata da un oggetto pesante come una stella lavora per proiettare luce lontana attorno ad esso, consentendo agli astronomi di rilevare la luce che altrimenti sarebbe troppo lontana.
Quello che ancora non sappiamo
Mentre la relatività generale deve ancora essere confutata, ci sono ancora domande sulla teoria che non sono state risolte. Ad esempio, se i buchi neri abbiano o meno una singolarità al loro centro o se la relatività generale possa essere applicata o meno all’universo primordiale.
Una singolarità rappresenta una situazione in cui la nostra attuale comprensione delle leggi fisiche crolla. Ad esempio, al centro di un buco nero, la gravità è così grande che la materia dovrebbe avere volume zero , il che non è possibile. Quindi manca ancora un pezzo alla nostra comprensione.
Un altro difetto della teoria della relatività generale di Einstein è che mentre sembra fare un ottimo lavoro nello spiegare la gravità di cose estremamente grandi, non può essere applicata al dominio estremamente piccolo del mondo quantistico. A livello di particelle subatomiche, l’effetto della gravità è praticamente trascurabile rispetto ad altre forze come l’elettromagnetismo, le forze nucleari deboli e le forze nucleari forti.
Unificare questi due mondi con un’unica teoria è il grande sogno dei fisici, ma finora nessuno è riuscito a trovarne una.
Per quanto riguarda il continuare a testare la relatività generale nel proprio dominio, Giorgi afferma che continuare a studiare i buchi neri e le onde gravitazionali con una sensibilità crescente continuerà ad aiutare a testare i confini di questa teoria.
“Molti aspetti della rilevazione delle onde gravitazionali emesse dalla fusione di due buchi neri sono compresi solo con una certa approssimazione, lasciando spazio a ulteriori miglioramenti“, afferma.
