La gravità è una forza onnipresente. Comune ma, allo stesso tempo, straordinariamente misteriosa: un’attrazione universale inarrestabile, simile all’amore e all’amicizia profonda. È l’unica che può trasformarsi, come per magia, diventando pura geometria, la curvatura del nostro spazio-tempo. Tuttavia, la sua comprensione più profonda è ancora in sospeso.
È la più familiare delle quattro forze fondamentali, con la quale lottiamo fin dalla nascita (fino a quando riusciamo a stare in piedi e a camminare), ma è la più difficile da comprendere dal punto di vista scientifico. Ancora di più rispetto all’elettricità, al magnetismo e alle spettacolari forze nucleari.
Le attuali teorie sulla gravità, nonostante i loro sorprendenti successi, sono in discussione. Per molte ragioni. Il più recente: chiari indizi che l’espansione dell’universo sta accelerando in modo non costante, il che richiede una profonda revisione della teoria generale della relatività.
La gravità invade ogni cosa
Sottilmente, poiché è la forza più debole, ma l’unica che non può essere protetta. Nel 1867 Isaac Newton la vestì con un abito da festa, dichiarandola legge universale. Si racconta che un giorno, nel suo giardino, notò una mela caduta sull’erba. E capì che la forza con cui la Terra avrebbe attirato la mela sarebbe stata la stessa con cui avrebbe intrappolato la Luna, costringendola a girare. E lo stesso accadrebbe con il Sole e i suoi pianeti; e con tutti gli oggetti celesti.
Secondo la sua acclamata legge di gravitazione universale, tutti gli oggetti che esistono si attraggono reciprocamente, con una forza proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente al quadrato della distanza tra di loro.
Oltre Newton
Per sorpresa del mondo, Albert Einstein fu in grado di andare molto oltre. Nel 1915, concepì una teoria meravigliosa, sebbene assolutamente incomprensibile, schizofrenica, ma irriverentemente perfetta! Dimostrò che la gravità può trasformarsi, come per magia, diventando pura geometria, la curvatura dello spazio-tempo.
Come poteva un essere umano concepire una teoria del genere? Dopo cento anni, il 99,99% della popolazione continua a non capirla. Ma le osservazioni e gli esperimenti più precisi sono ostinati nel confermare che è fedele all’universo.
O lo era, fino a poco tempo fa. La gravità è oggi in crisi!
Einstein: “La mia teoria non è definitiva”
Se Einstein fosse ancora vivo, una notizia straordinaria del genere non gli avrebbe causato la minima sorpresa. Ciò che l’avrebbe sorpreso è vedere che la sua teoria era giunta intatta fino ai nostri giorni. Già al momento della sua formulazione, lasciò ben chiaro che era approssimativa, che non era definitiva: “Altri la miglioreranno presto”, disse. Anche in questo è andato oltre rispetto a Newton, che ha sempre creduto che la sua legge di gravitazione universale sarebbe stata eterna.
Per capire cosa sta accadendo ora con la gravità, dobbiamo fare un passo indietro. Ci sono due tipi di forze: a contatto e a distanza. La forza gravitazionale, insieme al resto delle interazioni fondamentali (elettromagnetica e nucleari: forte e debole), agisce a distanza.
Già per Newton, l’azione a distanza costituiva un mistero insondabile. Non ha mai fatto ipotesi su come la gravità si trasmettesse da un corpo all’altro. È famosa la sua frase “et hipotheses non fingo” (“non invento ipotesi”).
Come spiegare l’azione a distanza?
Fu trovato un modo, accettato da tutti: Faraday e Maxwell formularono il concetto di campo di forze per l’elettromagnetismo e Einstein, per la gravità.
Il campo gravitazionale è onnipresente: ogni oggetto ne crea uno attorno a sé. Non solo un pianeta, una galassia o un buco nero. Anche una formica o un microbi lo creano, anche se sono insignificanti, quasi impossibili da misurare.
Ma Einstein disse di più: nella sua teoria, le masse e il campo gravitazionale vengono sostituiti dalla geometria, dalla curvatura dello spazio-tempo. La gravità einsteiniana è in realtà una teoria dello spazio-tempo.
Potrebbe sembrare che tutto sia risolto. Ma quella meravigliosa teoria non serve a studiare gli atomi (Einstein non ha mai preteso di farlo). Lì non è migliore della gravità di Newton: entriamo pienamente nel territorio quantistico.
Per entrare in questo nanomondo, la gravità dovrebbe essere quantificata; così come è già stato fatto, e con grande successo, con le altre tre forze fondamentali. Ma, per quanto ci si provi, non si riesce a farlo.
Cosa c’è che non va in lei?
Cercatori del Santo Graal
Il Santo Graal della fisica teorica, perseguito per decenni, è la teoria unificata di tutte le forze della natura, a volte chiamata “la teoria del tutto”. Einstein fallì nei suoi disperati tentativi di trovarla, a causa del suo rifiuto delle interpretazioni ortodosse della meccanica quantistica e della sua indifferenza verso la teoria dei campi quantici.
Altri fisici di spicco (l’elenco sarebbe lungo) sono riusciti ad avvicinarsi all’obiettivo, unificando elettromagnetismo e forze nucleari, ad altissime energie: quelle che regnavano nell’universo poco dopo il Big Bang. Ma la gravità si rifiuta di entrare nell’ovile. Le alternative per raggiungere questo obiettivo (superstringhe, gravità quantistica a loop), sebbene molto potenti, rimangono irrealizzate. Forse perché è di natura molto diversa dalle altre forze fondamentali, pur interagendo, come loro, a distanza.
Einstein scoprì già il suo carattere fuggitivo. E Ted Jacobson, nel 1995, ne trovò la stretta parentela con la termodinamica: derivò le equazioni stesse di Einstein a partire dalle equazioni termodinamiche. Ecco cosa c’è! Un ragionamento che abbiamo esteso anche alla gravità modificata. Quindi, c’è persino il dubbio che la gravità sia una forza fondamentale al livello delle altre tre. Potrebbe essere un fenomeno emergente.
E che dire dell’energia oscura?
I cosmologi sanno per esperienza che l’energia oscura è difficile da spiegare all’interno della teoria di Einstein. In esso l’espansione accelerata dell’universo può essere ottenuta solo sulla base di una costante universale: la famosa costante cosmologica. Ciò implica che l’accelerazione cosmica dovrebbe essere rimasta costante durante tutta la sua storia evolutiva. E non sembra essere così, il che obbligherebbe a modificare la teoria. Anche il problema della materia oscura potrebbe essere risolto in questo modo.
Einstein avvertì già di aver dovuto troncare le sue equazioni al secondo ordine. Che non era riuscito a andare oltre. E succede che sia il percorso che porta verso la relatività totale, sia quello che potrebbe portarci alla quantizzazione del campo gravitazionale, comportano l’aggiunta di altra benzina al fuoco: aggiungendo termini di curvatura dello spazio-tempo. Ma quali?
