La storia di un mistero svelato

Delle quattro interazioni fondamentali, la più debole è quella di gravità. Eppure è l'unica della quale abbiamo una consapevolezza diretta: nessuno si aspetta di fluttuare nell'aria, se esce dalla finestra al terzo piano. Questa consapevolezza accompagna da sempre gli umani. Anzi di fatto è parte dell'esperienza di ogni essere senziente. Però solo da quattro secoli è oggetto di indagine scientifica rigorosa.

Per presentare il percorso compiuto dalla fisica, breve ma ricco di rivoluzioni teoriche e sperimentali, venerdì 23 gennaio alle 18 terrà una conferenza Luca Molinari, professore associato del Dipartimento di Fisica dell'Università Statale di Milano. La conferenza, organizzata dall'Istituto ricerche solari Aldo e Cele Daccò (IRSOL) di Locarno e dalla Società Astronomica Ticinese, si terrà presso la Biblioteca Cantonale di Lugano.

Per millenni l'origine della forza di gravità è stata un mistero. Quando e come si è sviluppata la teoria della gravitazione universale e come si è imposta nei secoli successivi, fino alla rivoluzione di Einstein?

Negli anni in cui a Londra imperversava la peste (1665-66), Newton si rifugiò in campagna, dove produsse i suoi capolavori di ottica, dinamica e gravitazione. L'amico biografo Stukeley riferisce che lo stesso Newton gli raccontò l'episodio della mela, che gli ispirò la legge di gravitazione universale. Il trionfo furono la deduzione delle leggi di Keplero, delle orbite cometarie e, più tardi, le scoperte di Cerere (1801), di Nettuno (1846) e di Plutone (1930). La misura della costante G di Newton, compiuta a Cambridge nel 1798 da Cavendish con una speciale bilancia a torsione ideata da Mitchell, permise di determinare la massa della Terra e del Sole. L'evoluzione dello strumento portò Eötvös nel 1885 a migliorare la misura e ottenere sensibilità sufficiente per localizzare i giacimenti petroliferi attraverso anomalie della gravità.

Dopodiché arrivò Einstein. In che modo l'identità tra l amassa inerziale e la «carica» gravitazionale ha permesso il superamento della visione classica della gravità a favore di un'interpretazione geometrica dello spazio-tempo?

La fondamentale identità della massa inerziale (che determina la resistenza a una variazione del moto) con la «carica» gravitazionale (che determina la risposta alla gravità) fu oggetto di esperimenti di Newton con pendoli riempiti di sostanze diverse, a conferma di esperimenti di Galileo. Ancora oggi si fanno verifiche del principio di equivalenza debole nello spazio (esperimento Microscope) e con antimateria al CERN. L'identificazione ispirò profondamente Einstein nella lunga elaborazione della teoria terminata nel 1916. Il fatto che la gravità sia localmente annullabile in sistemi di riferimento in caduta libera lo condusse a interpretarla come un fatto geometrico, inscritto nella trasformazione di coordinate spazio-temporali dal sistema accelerato a quello in quiete. Questa è la sua memoria: «Ero seduto su una poltrona, nell'ufficio brevetti di Berna, quando, d'un tratto, mi sovvenne un pensiero: un individuo in caduta libera non sente il proprio peso. Trasalii. Questo semplice pensiero mi impressionò profondamente. Mi spingeva verso una teoria della gravitazione».

Accennerò ai progressi delle geometrie non euclidee dell'800 e dei primi '900, a partire da Gauss e Riemann, che consentirono l'elegante formulazione geometrica della gravità di Einstein. La teoria fu avvalorata presto dalla corretta previsione della precessione del perielio di Mercurio e raggiunse il trionfo mondiale con la misura della deviazione della luce nell'eclisse di Sole del 1919. Importante conferma fu l'esperimento di spettroscopia di Pound e Rebka, che verificò la variazione della frequenza del fotone nel campo di gravità terrestre.

Nella moderna teoria della gravitazione sono fondamentali le onde gravitazionali. Dalla previsione di Einstein ai giorni nostri, quali sono stati i successi principali degli interferometri e dei grandi telescopi nella conferma della relatività generale?

Le onde gravitazionali sono una storia interessante: predette, negate e poi ricredute da Einstein, furono indirettamente rilevate nell'osservazione della diminuzione del periodo orbitale di una coppia di stelle di neutroni (Taylor e Hulse, 1974) dovuta a emissione di onde gravitazionali. La captazione diretta avvenne nel 2015 con gli interferometri negli USA (che oggi operano insieme a Virgo a Pisa e a KAGRA in Giappone). Accennerò al buco nero al centro della Via Lattea, evidenziato dalle orbite delle stelle vicine (2012) in oltre dieci anni di osservazioni dei telescopi gemelli Keck alle Hawaii.

Eppure Einstein non era convinto di almeno una previsione teorica della sua stessa teoria. In che modo passò dall'ostacolare le teorie di un universo dinamico all'introduzione di una costante che sarebbe diventata il pilastro della cosmologia moderna?

L'aspetto più rivoluzionario della teoria di Einstein è certamente nelle previsioni indipendenti di Friedmann e Lemaître dell'espansione dell'universo osservata da Hubble nel 1928 misurando il redshift delle galassie. Einstein per qualche tempo ostacolò la pubblicazione del lavoro di Friedmann, e introdusse la costante cosmologica Lambda per impedire l'espansione. La costante oggi riappare necessaria per introdurre quella pressione negativa che si accordi con l'accelerazione osservata grazie alle supernove lontane. Il modello standard della cosmologia, LambdaCDM, si basa proprio sulle equazioni di Friedmann e Lemaitre, in cui oltre alla sorgente di materia compare la costante Lambda, e il necessario ingrediente della materia oscura... ma questo merita un'altra presentazione.