Einstein, perché è stato il più grande fisico della storia?

Come ci racconta il divulgatore Ethan Siegel, anche se molte persone faticano a nominare anche un solo scienziato vivente, praticamente tutti nel mondo sanno chi era Albert Einstein. Forse la persona più famosa del 20° secolo, Einstein ha rivoluzionato le scienze della fisica e dell’astronomia, apportando importanti contributi che ci hanno insegnato che:

• la velocità della luce è uguale per tutti,
• energia e massa sono equivalenti e legate dall’equazione E = mc²,
• la luce e gli elettroni sono entrambi quantizzati in “pacchetti” discreti di energia,
• lo spazio e il tempo non sono assoluti e oggettivi,

tra le molte altre scoperte che sono ancora attuali oggi.

Il lavoro di Einstein continua a persistere anche su numerosi altri fronti, compresi i paradossi dell’entanglement quantistico (paradosso EPR), il collegamento di due punti ben separati nello spaziotempo attraverso i wormhole (ponti di Einstein-Rosen) e la descrizione delle statistiche di particelle a spin intero (statistica di Bose-Einstein).

Tutto questo sarebbe già stato sufficiente per una carriera straordinaria e un posto tra i più grandi di tutti i tempi della fisica. Ma il fiore all’occhiello delle conquiste di Einstein è stata la sua nuova e rivoluzionaria teoria della gravità – la relatività generale – avanzata nel lontano 1915 e che da allora ha avuto successo in ogni previsione fatta. Nessun’altra teoria fisica è sopravvissuta così a lungo, ininterrottamente. È questo successo che spiega perché i fisici venerano e stimano così tanto Albert Einstein.

Il problema della gravità di Newton

Sebbene la gravità di Newton sia stata ipotizzata per la prima volta nel 1600, sembrava spiegare assolutamente tutto ciò che abbiamo osservato – nei cieli e sulla Terra – per circa i successivi 200 anni.

In realtà, per un po’, sembrò che ci fosse qualcosa di imprevedibile nell’orbita di Urano, poiché non obbediva del tutto alle leggi di Keplero sul movimento planetario come previsto, dalla sua scoperta nel 1781. In effetti

• inizialmente sembrava orbitare più velocemente del previsto per i primi 20 anni circa dopo la sua scoperta,
• poi sembrò rallentare e orbitare alla velocità prevista per i successivi circa 20 anni,
• e poi rallentò ulteriormente, orbitando troppo lentamente per i circa 20 anni successivi.

Mentre alcuni sospettavano un difetto nella gravità di Newton, il colpevole si rivelò essere un ottavo pianeta più distante che attirava gravitazionalmente Urano: Nettuno. La sua scoperta nel 1846 calmò tutti i critici che Newton.

Ma non fu così facile liberarsi di un nuovo problema: l’orbita di Mercurio, il cui perielio procedeva a una velocità leggermente maggiore di quella che la legge di gravitazione universale di Newton poteva spiegare. Inoltre, le leggi del movimento di Newton non potevano spiegare comportamenti che si verificavano vicino alla velocità della luce, come la contrazione della lunghezza e la dilatazione del tempo. Le leggi di Newton, comprese le leggi del movimento e la legge di gravitazione, sembravano funzionare molto, molto bene in quasi tutte le circostanze, ma queste eccezioni erano forse un accenno a qualcosa di nuovo, eccitante e rivoluzionario che ci avrebbe portato oltre la concezione newtoniana dell’energia.

Le idee relative di Einstein

A metà del 19° secolo si stava verificando una rivoluzione scientifica apparentemente non correlata: la scoperta delle forze, dei campi elettromagnetici e del loro comportamento. Una delle cose più interessanti emerse dall’elettromagnetismo è stata la comprensione che la luce stessa è un’onda elettromagnetica con campi elettrici e magnetici oscillanti e in fase che si propagano in direzioni perpendicolari l’uno all’altro.

La luce ha una velocità di propagazione – la velocità della luce nel vuoto – e gli esperimenti condotti per misurare la velocità in direzioni reciprocamente perpendicolari, incluso con e contro il movimento della Terra attorno al Sole, sono sempre giunti alla stessa conclusione: che la velocità della luce non sembrava mai cambiare.

Come poteva essere? I fisici cercavano di capire come fosse possibile che la luce poteva muoversi alla stessa velocità indipendentemente dal fatto che:

• veniva emessa insieme al moto della Terra,
• veniva emessa contro il moto della Terra,
• veniva emessa da una sorgente stazionaria rispetto alla Terra,
• vaniva emessa in direzione perpendicolare al moto della Terra.

Einstein cercò di pensare a una circostanza in cui si potesse seguire un’onda luminosa e vedere questi campi elettrici e magnetici oscillare in direzioni perpendicolari tra loro, e concluse che ciò non si era mai verificato in natura. Si rese conto che la velocità con cui la luce sembrava muoversi sarebbe sempre stata la stessa per tutti gli osservatori. Non erano né lo spazio né il tempo ad essere assoluti e concordati da tutti, ma la velocità della luce ad essere la quantità invariante. Da questa intuizione nacque la relatività speciale e, con essa, era chiaro che le leggi del movimento di Newton erano applicabili solo al movimento non relativistico, non a velocità prossime a quella della luce.

Il pensiero più felice della sua vita

Ma Einstein non aveva ancora finito, neanche lontanamente. Nel 1907, il suo ex professore Hermann Minkowski intrecciò lo spazio tridimensionale e il tempo unidimensionale in un tessuto quadridimensionale noto come spaziotempo, dove sia lo spazio che il tempo erano relativi a ciascun osservatore, ma una certa quantità – oggi conosciuta come spaziotempo — è sempre lasciata invariante e immutabile. Mentre rifletteva sul movimento di un oggetto nello spaziotempo, Einstein si rese conto che in seguito lo avrebbe definito il suo “pensiero più felice“: il principio di equivalenza.

Stava considerando il movimento di una stanza attraverso lo spaziotempo e i due casi in cui:

• la stanza accelera a causa dell’influenza di una forza esterna,
• la stanza ferma, in riposo, sulla superficie della Terra,

quando si rese conto che una persona al centro di ogni stanza che avesse lasciato cadere una palla avrebbe visto, sentito e sperimentato esattamente le stesse influenze fisiche. Le due situazioni erano fisicamente equivalenti e quindi la gravitazione era solo un’altra forma di accelerazione.

Fu questa fondamentale intuizione fisica che portò Einstein ad abbandonare lo spaziotempo piatto e non curvo della relatività speciale in favore dello sviluppo di uno spaziotempo curvo: dove materia ed energia determinavano la curvatura dello spazio, e quello spazio curvo avrebbe poi, a sua volta, determinato come la materia e l’energia si muovono attraverso di esso. Entro la fine del 1915, Einstein riuscì nell’impresa e presentò al mondo la sua nuova teoria, la relatività generale, nella sua forma finale e moderna.

Mettere alla prova Einstein

Sebbene gli sviluppi teorici siano avvenuti rapidamente nell’ambito della relatività generale, il test fondamentale e necessario restava quello osservativo. Certo, Einstein aveva già dimostrato che:

• nei campi gravitazionali deboli, la sua teoria correggeva le leggi di Newton,
• in assenza di campi gravitazionali, la sua teoria si riduceva alla relatività speciale,
• a basse velocità, le sue equazioni del moto erano ancora una volta newtoniane,
• che la sua teoria poteva spiegare osservazioni, come la precessione del perielio di Mercurio, che le leggi di Newton non potevano spiegare.

Tutti questi passaggi erano necessari affinché la sua nuova teoria rimanesse praticabile, poiché qualsiasi nuova teoria deve riprodurre tutti i successi di quella vecchia e spiegare qualcosa di importante che la vecchia teoria non riusciva a fare.

Tuttavia, la relatività generale doveva superare anche un terzo ostacolo: fare una nuova previsione, non ancora verificata, che differisse dalle previsioni della vecchia teoria (newtoniana), che potesse poi essere pubblicata ed essere testata.

Questa previsione è arrivata sotto forma della deflessione della luce stellare dovuta alla gravità: qualcosa che poteva essere testato per la posizione delle stelle situate vicino al Sole durante un’eclissi solare totale. La Grande Guerra rese impossibile un test del 1916 e le nuvole rovinarono un tentativo di misurare l’eclissi del 1918 negli Stati Uniti, l’eclissi solare totale del 1919 risolse la questione: le previsioni di Einstein erano corrette e in accordo con le osservazioni, mentre le previsioni newtoniane furono escluse. Finalmente avevamo una nuova teoria della gravità per descrivere il nostro Universo.

Un Universo in espansione

La relatività generale di Einstein, sebbene sia una teoria incredibilmente potente, non è la teoria più semplice con cui lavorare o da cui estrarre previsioni. È incredibilmente impegnativo dal punto di vista matematico lavorare con essa e ciò rende difficile, per usare un eufemismo, l’estrazione di previsioni quantitative. Inoltre, è molto importante modellare correttamente qualunque sistema fisico stiamo considerando, in quanto dobbiamo scrivere lo spaziotempo corretto per il problema che stiamo considerando (il che rende la risoluzione dei problemi molto più difficile). È per questo che, anche se teoricamente esiste un numero infinito di soluzioni alle equazioni di Einstein, esiste un solo Universo fisico a cui applicarle.

Ecco perché fu una grande sorpresa per tutti, Einstein compreso, quando Georges Lemaître inviò ad Einstein una lettera nel 1927, mostrandogli che se si combinava la soluzione dello spaziotempo per un Universo uniformemente pieno di materia ed energia (che Einstein aveva erroneamente definito “incompatibile” con le sue equazioni di campo nel 1922) con i dati relativi alle distanze e agli spostamenti verso il rosso delle galassie, si poteva concludere che l’Universo si sta espandendo. Einstein non credeva che ciò fosse possibile e ribatté: “Vos calculs sont corregge, mais votre physique est abominable“, che si traduce in: “I tuoi calcoli sono corretti, ma la tua fisica è abominevole“.

Ma Lemaître aveva ragione, come dimostrò Howard Robertson l’anno successivo e poi Hubble dimostrò in modo più definitivo l’anno successivo. L’Universo si sta davvero espandendo e la teoria di Einstein ha fornito la spiegazione teorica di come, perché e in che misura.

Spostamento gravitazionale verso il rosso

Ci sono tre principali fenomeni fisici che spiegano perché la luce a volte può spostarsi verso il rosso, o spostarsi verso lunghezze d’onda maggiori, all’interno dell’Universo.

1. Esiste uno spostamento Doppler, proprio come avviene per le onde sonore, che avviene a causa del movimento relativo della sorgente emittente e dell’osservatore che rileva i segnali emessi da quella sorgente.
2. C’è lo spostamento cosmologico, determinato dall’espansione dello spazio tra la sorgente e l’osservatore, che allunga la lunghezza d’onda della luce mentre viaggia attraverso l’Universo in espansione.
3. E c’è anche lo spostamento verso il rosso gravitazionale (o spostamento verso il blu), dove uscendo da un campo gravitazionale (da una regione più curva a una meno curva) o cadendo in un campo gravitazionale (verso una regione di maggiore curvatura) provoca l’allungamento della lunghezza d’onda della luce (per lo spostamento verso il rosso) o l’accorcia (per lo spostamento verso il blu) per effetti puramente gravitazionali.

Ciò viene osservato, astrofisicamente, per la luce proveniente dal fondo cosmico a microonde sia dall’effetto Sachs-Wolfe che dall’effetto Sachs-Wolfe integrato, ma è stato dimostrato per la prima volta in un esperimento di laboratorio che prevedeva l’invio di luce dal basso nel campo gravitazionale della Terra verso l’alto. Anche dopo la morte di Einstein, le previsioni della sua teoria precedentemente non verificate continuarono a essere verificate sperimentalmente, arrivando anche a livelli di precisione inimmaginabili per Einstein durante la sua vita.

Buchi neri

Forse la previsione più notevole della relatività generale è l’esistenza dei buchi neri: regioni dello spazio in cui così tanta energia è compattata in un volume di spazio così piccolo da formare un orizzonte degli eventi. Dall’interno di quella regione delimitata dall’orizzonte degli eventi, nessun oggetto, nemmeno la luce stessa, può sfuggire. Previsto che possa sorgere, astrofisicamente, dal collasso della materia o dall’implosione di un cadavere stellare, la teoria di Einstein fa una serie di predizioni affascinanti per i buchi neri e lo spaziotempo che li circonda, sia nel caso rotante che non rotante.

I buchi neri dovrebbero:

• causare eventi di interruzione delle maree, quando stelle o altre forme di materia passano gli troppo vicine,
• far sì che oggetti luminosi, come stelle, nane bianche o stelle di neutroni, sembrino orbitare attorno a un punto non luminoso ma massiccio nello spazio,
• sottrae massa dai compagni meno densi, creando dischi di accrescimento e generando emissioni di raggi X,
• emettono luce di onde radio dall’ambiente circostante, che dovrebbe apparire “scuro” poiché si staglia nell'”ombra” dell’orizzonte degli eventi del buco nero.

Tutte queste previsioni, oltre a molte altre, sono state successivamente confermate dall’osservazione. Non solo la teoria di Einstein era corretta nel descrivere i fenomeni che avrebbero dovuto verificarsi, ma l’entità degli effetti osservati corrisponde esattamente alle previsioni della relatività generale.

Trascinando lo spaziotempo

Già nel 1918, gli scienziati Josef Lense e Hans Thirring calcolarono come un corpo rotante attorno a un asse, come un giroscopio, dovrebbe precedere di una quantità “extra” a causa della presenza di una grande massa rotante nelle vicinanze che distorce l’ambiente circostante. Questo effetto, noto come precessione di Lense-Thirring, non sarebbe stato testato per molti decenni, finché una combinazione di test astrofisici e test sperimentali diretti non fosse diventata abbastanza precisa da sondare l’effetto previsto nella teoria di Einstein.

Sul fronte sperimentale, l’esperimento Gravity Probe B ha confermato l’effetto geodetico previsto entro circa lo 0,3% e gli effetti del trascinamento del frame entro circa il 15% circa tra il 2004 e il 2011.

Astrofisicamente, la direzione in cui punta un getto astrofisico attorno a un buco nero può cambiare rapidamente a causa di un riorientamento del disco di accrescimento, che può essere causato dall’effetto Lense-Thirring; questo è stato osservato nel 2019 attorno al buco nero binario a raggi X V404 Cygni. Anche la tempistica delle pulsar in un sistema in cui la compagna è una nana bianca vicina e in rapida rotazione ha rivelato l’effetto Lense-Thirring e future osservazioni di stelle nel centro galattico e da parte della navicella spaziale Juno, attualmente in orbita attorno a Giove, sono pronte a fornire un’ulteriore conferma di questa previsione.

Onde gravitazionali

Forse la previsione più attesa da confermare era l’esistenza delle onde gravitazionali: previste come conseguenza della relatività generale quasi immediatamente (e niente meno che dallo stesso Einstein) ma non osservate per un secolo, fino alla prima scoperta della fusione di buchi neri da parte di LIGO nel 2015. Sebbene ci si aspettasse che esistessero onde gravitazionali sulla base di prove indirette osservate nel decadimento di un sistema di pulsar binario, questo nuovo tipo di rilevamento diretto non aveva precedenti. Oggi sono stati osservati oltre 100 possibili eventi di onde gravitazionali e l’astronomia delle onde gravitazionali è un campo giovane e in crescita che ci consente di esplorare l’Universo gravitazionalmente, senza fare affidamento sulla luce di alcun tipo.

Molte altre previsioni della relatività generale sono state estratte dalla teoria e messe alla prova, tra cui il ritardo temporale di Shapiro, la lente gravitazionale, test precisi del principio di equivalenza utilizzando la distanza laser lunare ed esperimenti di equilibrio di torsione, test di spostamento verso il rosso gravitazionale e tempo gravitazionale, dilatazione utilizzata nei sistemi di posizionamento globale e test su piccola scala della legge gravitazionale fino a scale fino a 55 micron. Ovunque siamo riusciti a ricavare previsioni fisicamente rilevanti dalla relatività generale e a metterle alla prova, la teoria di Einstein è stata superata a pieni voti.

A livello fondamentale, abbiamo due classi di teorie fisiche: le teorie quantistiche dei campi che descrivono le forze forte, debole ed elettromagnetica, e la relatività generale di Einstein che descrive la forza gravitazionale. Anche se è stata avanzata già nel 1915 – prima della scoperta del muone, dei quark, del neutrino o addirittura del neutrone – la teoria della relatività generale di Einstein rimane imbattuta come teoria fisica, nonostante sia forse l’idea più contestata e analizzata in tutta la storia della scienza. È il successo senza precedenti della relatività generale, così approfonditamente e per così tanto tempo, che rende Einstein una figura così venerata, e forse il più grande fisico di tutti i tempi, anche secondo i fisici.