Le previsioni di Albert Einstein stupiscono ancora la comunità scientifica più di un secolo dopo che le ha fatte, sia quelle già confermate che quelle che stiamo ancora esplorando.
Albert Einstein è in cima alla lista degli scienziati più famosi e iconici della storia. Le sue teorie sulla Relatività Speciale nel 1905 e sulla Relatività Generale nel 1915 hanno letteralmente rivoluzionato la fisica. Andava oltre la teoria della gravità di Newton, che esisteva dal 1687. Einstein introdusse anche i suoi famosi esperimenti mentali, che testarono anche i primi sviluppi della meccanica quantistica. I suoi contributi in questo campo gli valsero il Premio Nobel per la Fisica, che gli fu conferito nel 1921 per l’effetto fotoelettrico.
Molte persone credono che il Premio Nobel per la Relatività Generale, che non gli è stato assegnato, sia un grande debito in sospeso. In questa nuova teoria, la gravità è intesa come una deformazione o curvatura dello spazio-tempo, causata dalla distribuzione di masse ed energie. Più massa viene impacchettata in un volume minore, più spazio-tempo attorno ad essa è deformato o curvo. Qualsiasi altra particella o oggetto che passa vicino a questi oggetti avverte questa curvatura, che fa cambiare la loro traiettoria.
Previsione confermata: giorno in cui è stata osservata la curvatura dello spazio-tempo
Alcune delle previsioni o conseguenze della Relatività Generale sono state messe alla prova in breve tempo. Nel 1919, solo 4 anni dopo la pubblicazione della teoria, si verificò un’eclissi totale di Sole. Fu l’evento ideale per testare la curvatura dello spazio-tempo.
Ci sono state diverse spedizioni scientifiche che hanno viaggiato in Brasile e sulla costa dell’Africa occidentale per scattare le migliori foto e dati di quell’eclissi e, soprattutto, delle stelle che circondavano il Sole.
L’oggetto più massiccio e compatto che abbiamo nelle nostre vicinanze è il Sole. Quello che volevamo verificare era se la luce proveniente da stelle lontane fosse influenzata dalla curvatura dello spazio-tempo generata dal Sole quando vi passava vicino. In tal caso, il suo percorso devierebbe leggermente da una linea retta, facendo cambiare leggermente la posizione apparente della stella nel cielo. La conferma di questo effetto, coerente con le misurazioni dell’eclissi del 1919, rese Einstein famoso in tutto il mondo.
I dubbi di Einstein: le vibrazioni dello spazio-tempo
Per provare sperimentalmente altre predizioni della Relatività Generale abbiamo dovuto aspettare molto più a lungo. Nel 1916 Einstein iniziò ad analizzare in grande dettaglio le sue equazioni, e in particolare una serie di termini che, dopo un po’ di semplificazione, assomigliano notevolmente a un’equazione d’onda: la stessa struttura che appare in molti sistemi fisici dove abbiamo un disturbo che si propaga trasportando energia.
In questo caso, le equazioni dicono che ciò che vibra è lo spazio-tempo stesso, e chiamiamo queste perturbazioni onde gravitazionali.
Potrebbero essere visti? C’è un modo per “sentire” le vibrazioni dello spazio-tempo?
Durante la sua vita, Einstein dubitò della reale esistenza di questo fenomeno (forse era un artefatto matematico ma senza realizzazione fisica?). Einstein non fu il primo né l’unico eminente fisico a dubitare delle conseguenze matematiche della sua teoria. Ha avuto alterne vicende con colleghi e prestigiose riviste scientifiche che hanno dato vita a storie molto interessanti.
Comunque sia, e con il contributo di personalità di spicco, si è finalmente capito che le onde gravitazionali erano davvero una vera predizione della teoria. Le loro proprietà furono analizzate e restava solo da vedere se la corsa tecnologica per verificarne sperimentalmente l’esistenza avesse dato i suoi frutti.
Previsione confermata: le onde gravitazionali sono state finalmente “sentite”.
L’ampiezza di queste onde è così così così (puoi mettere tutto il “così” che vuoi) estremamente debole che lo stesso Einstein non aveva molta fiducia che il loro rilevamento sarebbe stato possibile un giorno. Ciascuno dei test a cui è stata sottoposta la Relatività Generale non è stato in grado di trovare discrepanze, ma non rilevare onde gravitazionali o rilevarle con proprietà diverse da quelle teorizzate sarebbe una dimostrazione che questa teoria non riproduce fedelmente la realtà: il guanto stava mentendo.
Il successo dello sviluppo tecnologico ha richiesto decenni e i soliti tentativi falliti che non sono sempre menzionati nella scienza, come gli esperimenti pionieristici del fisico Joseph Weber con barre risonanti negli anni ’60.
Gli strumenti che sono stati in grado di vincere finalmente questa sfida sono gli interferometri laser a braccio chilometrico.
La prima rilevazione delle onde gravitazionali è avvenuta nel 2015, è stata effettuata dagli osservatori americani LIGO ed è stato un evento letteralmente storico.
Le onde gravitazionali rilevate sono state associate anche ad un’altra delle conseguenze della Relatività Generale: provenivano dalla fusione di due buchi neri di circa 36 e 29 volte la massa del Sole, e sono passate attraverso i rivelatori dopo aver percorso circa 1.300 milioni di anni luce.
L’Osservatorio europeo della Vergine si è unito alla raccolta di dati nell’estate del 2017, con una tripla rilevazione di una fusione di stelle di neutroni che includeva onde gravitazionali nell’astronomia multi-messaggero.
Abbiamo già un totale di 90 eventi confermati, che hanno tutti come scenario astrofisico la fusione di due oggetti compatti: coppie di buchi neri, coppie di stelle di neutroni o coppie miste di un buco nero e una stella di neutroni.
La porta della ricerca è aperta a oggetti compatti di natura diversa e le onde gravitazionali che generano possono darci indizi sulla loro struttura e proprietà. Siamo impazienti di vedere le nuove sorprese che stanno per arrivare.
La costante cosmologica: il più grande “errore” di Einstein?
Nel capitolo sulle predizioni di Einstein non possiamo dimenticare la famosa costante cosmologica, che ha anche generato contraddizioni. Questa costante, le sue proprietà e se è in grado di modellare fedelmente l’evoluzione e l’espansione dell’universo alla luce dei dati futuri è la pagina del libro che si sta scrivendo proprio ora.
Einstein introdusse questa costante nelle sue equazioni per forzare (a causa di convinzioni personali) un modello di universo statico, una sorta di “energia repulsiva” senza la quale l’universo finirebbe per collassare per effetto della gravità stessa.
Tuttavia, dopo le osservazioni del 1931 del fisico Edwin Hubble sull’espansione dell’universo, Einstein considerò la sua proposta come “il più grande errore” del suo lavoro scientifico. Lo era davvero?
L’interesse per la costante cosmologica introdotta da Einstein è riemerso di nuovo con le teorie di campo quantistiche, poiché predicono un’energia del vuoto che può comportarsi, a tutti gli effetti, come la costante cosmologica da lui predetta.
Quindi sembra che Einstein, ancora una volta, abbia capito bene.
Autore
Isabel Cordero Carrión, Università di Valencia
