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Cosa succedera' alla fisica dopo le onde gravitazionali?

All’indomani della storica individuazione delle onde gravitazionali da parte degli scienziati di a Ligo (e quattro anni dopo la scoperta del bosone di Higgs) ecco quali sono le prossime sfide della fisica

Quattro anni fa, il bosone di Higgs. Oggi, le onde gravitazionali. Due tra le più grandi e difficili battaglie della fisica moderna – vere e proprie cacce al tesoro, con obiettivi maledettamente bravi a nascondersi – sono state appena vinte. La prima è durata quasi sessant’anni; per venire a capo della seconda, c’è voluto oltre un secolo. Cosa succede ora? È legittimo pensare che, domato l’Higgs e surfato sulle onde di gravità, gli scienziati siano (finalmente) vicini a una comprensione più o meno completa dell’Universo e delle sue regole? Il refrain è quello che, all’indomani di ogni grande scoperta, torna ciclicamente a circolare negli ambienti accademici: ancora pochi anni, il tempo di sistemare gli ultimi parametri, raffinare qualche osservazione, e tutti i tasselli andranno al loro posto, chiudendo il cerchio e regalandoci, alfine, la tanto agognata teoria del tutto.

Niente di più falso. Al contrario: la conferma sperimentale dell’esistenza delle onde gravitazionali, come ha raccontato l’astrofisico Amedeo Balbi, “ci spalanca un nuovo mondo”. La ricerca non volge affatto al termine: il bello deve ancora venire. E, cosa ancora più importante, parlare di teoria del tutto ha pochissimo senso, con buona pace di James Marsh. Ce lo ha confermato anche Giovanni Amelino-Camelia, fisico teorico della Sapienza Università di Roma, tra i massimi esperti al mondo in gravità quantistica (ci torneremo tra pochissimo). 

“È in corso una grandissima rivoluzione nella fisica”, ha spiegato lo scienziato. “Finora abbiamo avuto modo di studiare la natura quasi esclusivamente osservando i fotoni, cioè la luce. Dallo scorso anno abbiamo iniziato a osservare anche i neutrini cosmologici. Da oggi, abbiamo la possibilità di analizzare anche le onde gravitazionali. Sono due ‘strumenti’ con cui, auspicabilmente, potremo osservare fenomeni del tutto nuovi. È una tappa importantissima nell’osservazione dell’Universo, pari solo all’invenzione del telescopio. Come se finora avessimo visto il mondo in bianco e nero e ora, improvvisamente, avessimo la possibilità di vederlo a colori”.

Quali sono, dunque, le domande ancora aperte nella fisica moderna? La più importante e complicata riguarda, per l’appunto, la gravità quantistica. Si tratta, , di una questione abbastanza delicata, che investe i due pilastri della fisica moderna, la relatività generale e la meccanica quantistica, entrambe ampiamente verificate a livello sperimentale (in particolare, la scoperta delle onde gravitazionale è una conferma ulteriore della validità della relatività generale). La prima teoria spiega il comportamento della gravità, descrivendola in termini di una sorta di deformazione dello spaziotempo, la struttura quadridimensionale in cui siamo immersi. La seconda, invece, contiene le leggi fisiche che regolano il comportamento delle particelle su scale microscopiche.

Semplificando all’estremo, potremo dire che le due teorie si occupano, rispettivamente, dell’enormemente grande e dell’enormemente piccolo; separatamente, entrambe funzionano alla perfezione. Il problema è che, quando i fisici provano a inserirle in un unico quadro, le teorie non combaciano. Ovvero, in altre parole, non è (ancora) possibile quantizzare la gravità. “Da oggi, però”, ci dice Amelino-Camelia, “potremmo usare i neutrini cosmologici o le onde gravitazionali come ‘sonde dello spazio-tempo’ che potranno aiutarci, meglio di quanto non abbiano fatto i fotoni, a costruire una teoria della gravità quantistica”.

Un altro punto delicato, e del tutto irrisolto, è quello relativo alle cosiddette materia ed energiaoscure. “La scoperta del bosone di Higgs e delle onde gravitazionali”, spiega il fisico teorico, “ha messo ordine nella nostra comprensione di quello che avviene nel 4% dell’Universo. Non a caso il restante 96%, di cui sappiamo poco o nulla, è stato etichettato con l’aggettivo ‘oscuro’”. 

Cominciamo dalla materia oscura. Tutta la materia attualmente conosciuta viene descritta dal cosiddetto Modello Standard, una teoria che spiega la natura, il comportamento e le interazioni delle particelle elementari, e che, nel suo regime, funziona molto bene – anche se, naturalmente, non contiene la gravità, dal momento che, come raccontato sopra, non abbiamo ancora messo a punto una teoria della gravità quantistica. “È possibile, però”, spiega Amelino-Camelia, “che il Modello Standard sia incompleto, nel senso che manca della descrizione della materia che al momento chiamiamo genericamente ‘oscura’”. L’energia oscura è, se possibile, ancora più complicata: quello che si ipotizza, senza conoscerne la natura, è che dietro ci sia comunque lo zampino della gravità. Staremo a vedere: la strada da percorrere è ancora lunghissima. Ma sarà un bellissimo viaggio.

 

Sandro Iannaccone

Giornalista scientifico

 

DA ROBERTO:

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- 1,3 miliardi di anni fa, dopo un bel balletto a spirale, un buco nero (una cosa invisibile perché risucchia tutto, luce compresa) la cui massa era 29 volte quella del Sole si è "fuso" con uno di 36 volte la massa solare. Tutto questo ha dato origine ad un bucone rotante di 62 masse solari. Ma 29+36=65, quindi che fine ha fatto la massa rimanente? È stata convertita, in una frazione di secondo, in onde gravitazionali. Immaginando lo spazio-tempo come l'acqua di uno stagno, il processo è stato simile alla formazione di increspature circolari sulla superficie a seguito della caduta di un sasso. Solo che stavolta il processo ha avuto un picco la cui potenza era 50 volte quella di tutte le stelle dell'Universo visibile.


- 100 anni fa, nel 1916, un sociopatico dall'aspetto simpatico e tutto sommato intelligente, tale Albert Einstein, pubblica una teoria all'apparenza astrusa ed insensata. Fra le altre cose, prevede che la luce possa essere influenzata dalla gravità, spianando la strada verso la nascita dell'idea di buco nero. La teoria prevede inoltre l'esistenza di onde gravitazionali, capaci di deformare lo spazio-tempo. Non solo: le sue equazioni ne descrivono per bene il comportamento. Un po' come se io prevedessi che il lardo di Colonnata curerà il cancro, e vi dicessi anche nello specifico in che modo. Io sono esperto di suini tanto quanto Einstein lo era di fisica, quindi secondo me dovreste fidarvi della mia previsione e basta. So però che non lo farete, e vorrete verificarlo, prima di regalarmi la gloria e la fama eterna. Anche i fisici non si fidarono di Albert. Grazie al cielo, la Scienza funziona così. Se però un consiglio lo volete accettare, il lardo è tutta salute.


- Nei decenni successivi, le varie buffe previsioni di Einstein vengono tutte verificate, a parte quella delle onde gravitazionali. Allora sono anni che ci fidiamo di Einstein senza avere un qualcosa di certo al 100%? Posto che nella Scienza le certezze non esistono, in realtà quella teoria ci ha portato ai satelliti, ai cellulari, ai laser e a qualche fonte di energia (pure a una bomba, ma quella è mica colpa di Albert...), quindi diciamo che era abbastanza affidabile. Il problema è che le deformazioni da misurare per verificare le onde gravitazionali hanno dimensioni di frazioni di un atomo (frazioni minuscole di un atomo) e vanno misurate con strumenti enormi e complicatissimi. 
Sempre negli stessi decenni, gli scienziati provano a verificare l'esistenza dei buchi neri, e qualche metodo indiretto lo trovano pure. Ma dannazione, sono neri. E lo spazio pure. Si avanza l'idea che possano esistere dei buchi neri rotanti e anche sistemi di due (binari) o più buchi. Ma indovinate un po'? Anche tutta sta roba è nera.


- 32 anni fa, nel 1984, tali Rainer Weiss e Kip Thorne (quello che ha spiegato a Nolan come fare il buco nero di Interstellar e prendersi un premio Oscar per gli effetti speciali) decidono di fondare LIGO, un progetto per costruire due rivelatori di onde gravitazionali da 4 km di lato.


- 14 anni fa, nel 2002, si inizia a costruire queste due orecchie per mettersi all'ascolto del cosmo. Ci vorranno due anni per far partire la versione di prova degli aggeggi. LIGO verrà poi spento per 7 anni, in modo che 1000 scienziati possano potenziarlo e dare vita ad Advanced LIGO.


- 5 mesi fa, il 14 settembre 2015, proprio nei giorni in cui si accendeva Advanced LIGO, le due orecchie hanno captato un segnale. Un'onda gravitazionale prodotta 1,3 miliardi di anni prima e che, proprio in quel momento, stiracchiava la Terra. Quando si dice il tempismo con la C maiuscola! Poiché, si diceva, nella Scienza fidarsi è bene ma col cavolo che lo faccio, gli scienziati frenano gli entusiasmi e si analizzano per bene i dati per mesi, giorno e notte, prima di dire cose smentibili e fare figure barbine tipo dire che i neutrini sono più veloci della luce mentre percorrono un tunnel sottovuoto che collega le orecchie di un ministro della Repubblica.


- Ieri, 11 febbraio 2016, durante una conferenza in diretta mondiale, 5 persone hanno mandato in visibilio migliaia di fisici nel mondo, facendo quelli che ce l'hanno più lungo degli altri, l'interferometro. Ci sta, io sarei stato molto meno composto.

Dunque, ricapitolando, in un colpo solo abbiamo:
1) l'esistenza provata delle onde gravitazionali;
2) la conferma sperimentale dei sistemi binari di buchi neri;
3) la conferma che i buchi neri possono fondersi;
4) la prova dell'esistenza dei buchi neri rotanti;
5) un tizio dalla barba improbabile che, dopo essersi preso un Oscar, si prenderà un Nobel. 

Ora, se davvero non cogliete la poesia di tutto ciò e il motivo della nostra gioia, se davvero pensate che sia tutta un'inutile perdita di tempo e soldi (ma poi non avete nulla da ridire, ad esempio, sul cachet di Gabriel Garko a Sanremo o sullo stipendio di Cristiano Ronaldo), se davvero tutto ciò che vi viene in mente non è un "Poffarbacco che puffata puffosissima!" ma un "Ma a me cosa serve?", beh, mi spiace davvero per voi.
Lasciate però che sia io a farvi un paio di domande. A cosa serve la musica? A cosa serve lo sport in tv? E Masterchef? A cosa servono la letteratura e la lingua? In fondo non si viveva malaccio, quando si grugniva nelle savane centroafricane mangiando carne cruda.

Comunque, la prossima volta che vi guarderete Interstellar grazie a un laser che legge un Blu-ray (e che funziona con l'energia elettrica proveniente dai reattori francesi) o al satellite di Sky, magari commentandolo con gli amici al cellulare, pensate gran parte di ciò che avete deriva da quei fisici disadattati sociali che oggi festeggiano mentre voi li insultate perché bruciano i soldi che vorreste giocarvi sulla schedina del campionato.
Ah, un'ultima cosa: quel luogo in cui fate i leoni da tastiera sputando giudizi, quella cosa che si chiama internet, ve l'hanno dato i fisici. E anche la tastiera. E il computer.

Ora scusatemi, vado a stappare un'altra Tassoni e a continuare i festeggiamenti.

Roberto G.

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