Ricci Le onde gravitazionali

1. Auflage 2025
ISBN: 979-12-5501-382-2
Verlag: Pelago
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark

E-Book, Italienisch, Band 1, 144 Seiten

Reihe: Lezioni di Fisica

Ogni cosa che si muove nello spazio - dalle stelle ai buchi neri e perfino noi stessi, anche solo sollevando un dito - emette onde gravitazionali, le distorsioni dello spazio-tempo previste dalla relatività di Einstein. La loro individuazione, nel 2015, ha segnato il culmine di un'avventura scientifica e tecnologica - con l'Italia in prima fila - volta a rilevare queste vibrazioni che all'origine, milioni o miliardi di anni fa, avevano un'energia pari a quella emessa da tutte le stelle dell'universo visibile, ma che giunte sulla Terra sono divenute infinitamente più piccole di un nucleo atomico. Si è aperta così una finestra del tutto nuova sul cosmo, che ci può svelare preziose informazioni sulla sua nascita, la sua struttura e la sua evoluzione: per esempio, portando fino a noi la 'firma gravitazionale' di ciò che è accaduto subito dopo il Big Bang.

Autoren/Hrsg.

Ricci, Fulvio

Leseproben

La lezione

L’attuale conoscenza delle proprietà dell’interazione gravitazionale è basata sui contributi fondamentali di Galilei, Newton ed Einstein. La teoria einsteiniana della relatività generale riassume in sé lo sviluppo secolare della conoscenza in questo campo della fisica ed è il punto di riferimento stabile di tutti gli sforzi sperimentali.

Einstein presenta la sua teoria della gravitazione alla comunità scientifica nel 1916 e per lungo tempo quest’ultima è confermata da un numero limitatissimo di deboli evidenze sperimentali. La sua complessità matematica rende difficile la sua diffusione presso la comunità scientifica; è solo alla fine del XX secolo, a seguito dell’impressionante sviluppo tecnologico, che le evidenze sperimentali si moltiplicano e raggiungono un livello di precisione tale da mettere in luce la grande robustezza e completezza della teoria di Einstein.

Lo sviluppo strumentale apre il campo a nuove osservazioni astrofisiche interpretabili solo alla luce della relatività generale e consente di sancire la prevalenza assoluta di questo suo modo di interpretare i fenomeni gravitazionali.

Nel febbraio 2016, le collaborazioni LIGO (Caltech/MIT, Usa) e Virgo (Infn, Italia e Cnrs, Francia) hanno annunciato congiuntamente di aver effettuato la prima osservazione delle onde gravitazionali. L’osservazione è stata effettuata il 14 settembre 2015, utilizzando i rivelatori Advanced LIGO.

Le onde gravitazionali hanno origine da una coppia di buchi neri dell’universo profondo, lontani da noi centinaia di milioni di parsec. Dopo l’annuncio iniziale, sono stati osservati altri eventi di onda gravitazionale e nell’agosto 2017 i due strumenti LIGO e lo strumento Virgo hanno osservato una quarta onda gravitazionale dalla fusione di buchi neri, e una quinta onda gravitazionale da una fusione di stelle di neutroni in un sistema binario.

Le osservazioni astronomiche sui sistemi binari di stelle compatte hanno aperto il capitolo della gravito-dinamica, mostrando prima in via indiretta e poi direttamente l’esistenza delle onde gravitazionali. La rivelazione diretta di questo nuovo tipo di radiazione consente di chiarire la dinamica dei processi di emissione, aprendo il campo a un nuovo tipo di astronomia.

Lo sforzo sperimentale, iniziato da Joseph Weber negli anni Sessanta del secolo scorso, ha ora finalmente raggiunto un livello tale da poter osservare direttamente questo tipo di onde, e le prime ricadute in campo astronomico e in quello della fisica fondamentale sono già evidenti. Nei prossimi anni la fisica gravitazionale ci fornirà tante nuove risposte su come l’universo evolve e certamente ci metterà di fronte a nuovi enigmi da risolvere.

La gravitazione resta a tutt’oggi separata concettualmente dalle altre interazioni fondamentali lasciando aperto il problema d’inquadrare la gravità nel contesto più ampio di una unificazione di tutte le interazioni fondamentali.

Ma a noi piace prevedere che le onde gravitazionali possano contribuire alla validazione di teorie più estese di quella di Einstein, affrontando il problema aperto di armonizzare gravità e meccanica quantistica, come è già accaduto per l’elettrodinamica quantistica, nata dalla sintesi di Maxwell e dallo studio dei fenomeni del campo elettromagnetico variabili nel tempo.

Alla luce dei recenti successi la ricerca delle onde gravitazionali ha preso nuovo vigore e procede nell’umano sforzo di espandere il nostro livello di conoscenza della natura.

Il concetto di campo

La legge della gravitazione universale di Newton esprime la forza che una massa puntiforme A esercita su un’altra massa puntiforme B posta ad una determinata distanza. Dal punto di vista formale è assolutamente analoga alla forza che si esercita tra due cariche elettriche anche esse puntiformi. Tuttavia vi è una differenza sostanziale: nel caso elettrico la forza può essere attrattiva o repulsiva a seconda che le due cariche siano dello stesso segno o di segno opposto, mentre nel caso della gravità, non esistendo masse di segno opposto, la forza è solo attrattiva. Sono quindi forze che un corpo esercita su un altro senza esserne a contatto.

Si tratta di azioni a distanza e come questo possa avvenire non è affatto ovvio.

La legge di Newton, così come l’analoga legge di Coulomb dell’elettricità, prende in considerazione solo casi stazionari, per cui le masse o le cariche sono immobili o si muovono lentamente di moto uniforme. Cosa accade invece se ho una variazione improvvisa dello stato di moto, ad esempio se l’improvvisa creazione della sorgente A in un punto dello spazio, è rilevata dal corpo B posto a distanza?

Secondo la teoria di Newton, l’effetto di A su B avviene istantaneamente, indipendentemente dalla distanza e in assenza di un elemento mediatore che faccia da tramite tra il corpo A e quello B.

A dire il vero in passato era stata avanzata l’ipotesi dell’esistenza di un elemento che facesse da tramite per trasmettere l’effetto: l’“etere pitagorico”. In epoche storiche più recenti ad esso si sostituisce l’“etere luminifero”, un fluido sottile che avrebbe permeato tutto l’universo. Questo elemento di mediazione è introdotto in relazione alla teoria ondulatoria della luce.

Tuttavia la teoria di Maxwell delle onde elettromagnetiche mette in crisi l’ipotesi dell’esistenza di questo impalpabile fluido. L’onda elettromagnetica, studiata sperimentalmente per la prima volta da Hertz, ha la proprietà di mettere in movimento le cariche elettriche (inizialmente ferme) che incontra lungo la sua direzione di propagazione. Tuttavia, questo movimento avviene solo su piani perpendicolari alla direzione di propagazione dell’onda; in altre parole l’onda elettromagnetica è trasversa e un fluido mal si adatta a sostenere la propagazione di onde di questo tipo. L’ipotesi dell’etere come fluido immutabile che permea tutta la materia è poi superata dalla relatività di Einstein: basterebbe attribuire allo stesso spazio la proprietà di sostenere la propagazione delle forze.

Alla luce poi della meccanica quantistica il concetto di spazio vuoto va riconsiderato: non può essere il nulla, ma lo stato di minima energia di un mare di particelle che appaiono e scompaiono continuamente, ipotesi che ricorda vagamente l’antica idea di etere costituito da particelle non coerenti e contigue.

Nell’ambito della fisica moderna questa difficolta concettuale è superata introducendo il concetto di campo. Se sposto il corpo puntiforme B che risente della forza elettrica o di gravità dovuta all’altro corpo distante A, qualunque sia la sua nuova posizione, B risente più o meno intensamente di questa forza.

Ne deduco quindi che l’esistenza stessa del corpo A abbia modificato lo stato di tutto lo spazio, permeandolo della nuova proprietà di attrarre e nel caso elettrico anche di respingere un altro corpo.

A volte, per chiarire il concetto di campo nel caso della gravità, si utilizza l’esempio della massa su un telo elastico. Se poggiamo la massa A, sorgente del campo, su un telo elastico, questo si piega formando un avvallamento. La massa B, poggiata sullo stesso telo in un punto distante da A, tenderà a scivolare verso la massa A proprio a causa dell’avvallamento. Il telo simboleggia lo spazio ed è attraverso di esso che si esercita questo effetto di attrazione.

Quindi lo spazio ha il ruolo attivo di trasmissione dell’effetto.

Il concetto di campo si estende ben al di là dei fenomeni elettrici e gravitazionali. La temperatura in una stanza, la velocità dell’acqua di un fiume sono tutti campi, relativi però a grandezze fisiche differenti. Nella sostanza ciascun campo è una grandezza fisica che pervade una regione dello spazio. Se tale grandezza non dipende dal tempo allora il campo è detto stazionario.

Parleremo più oltre di campi scalari, vettoriali o tensoriali: la distinzione è basata sulla natura stessa della grandezza fisica considerata. Esempi di campi scalari sono:

- il campo di temperatura, insieme dei valori di temperatura che possiamo misurare in un corpo esteso;

- il campo di pressione, i valori di pressione nei vari punti di un bacino idrico.

LA RAPPRESENTAZIONE DEL CAMPO SCALARE

Per rappresentare graficamente e geometricamente un campo scalare utilizziamo il concetto di superfici equipotenziali, cioè superfici costituite da tutti quei punti dove la grandezza fisica in questione assume lo stesso valore. Un esempio di tale rappresentazione si ha in una carta meteorologica. In essa sono riportate le curve costituite da tutti quei punti in cui la pressione dell’atmosfera terrestre assume lo stesso valore. Curve analoghe si possono osservare leggendo la carta topografica di un luogo. In essa sono riportate le curve formate da tutti i punti alla stessa altitudine: sono le curve di livello che ci dicono a che altitudine rispetto al livello del mare siamo in quei punti.

Le linee di livello di una collina sono le circonferenze rappresentate in basso che corrispondono alle varie quote che si raggiungono salendo verso la cima.

Il campo vettoriale

Si definisce campo vettoriale quella regione dello spazio in cui è possibile definire, in ogni punto e in modo univoco, una grandezza vettoriale. Tale grandezza è detta intensità del campo. Un esempio di campi vettoriali è la...