Ai confini della relatività

La teoria della relatività di Einstein è senza dubbio la teoria che ci ha fatto andare più lontano. La usiamo per capire come si espande l’universo, come funziona un buco nero, come costruire un dispositivo GPS.

Si tratta di una teoria così potente che potrebbe spingerci ancora più lontano: grazie alla relatività, infatti, potremmo finire nei vicoli dello spaziotempo e perderci nelle scorciatoie che rendono possibili viaggi altrimenti irrealizzabili tra regioni diverse dell’universo. Oppure, partendo dalla relatività, potremmo formulare una nuova teoria in grado di dirci che cos’è successo esattamente 13,7 miliardi di anni, quando l’universo era estremamente denso e caldo.

 

Il cuore della teoria della relatività

La teoria di Einstein è una teoria della gravità. In una frase, riducendo le cose davvero all’osso, potremmo dire che la relatività spiega perché le masse si attraggono. E lo fa in un modo semplice e rivoluzionario al tempo stesso, ben riassunto dalle parole dello scienziato americano John Archibald Wheeler: «Lo spaziotempo dice alla materia come muoversi; la materia dice allo spaziotempo come curvarsi.» Vediamo con un esempio che cosa significa e quali sono le conseguenze sorprendenti di questa visione dell’universo.

Supponiamo di dover osservare una galassia lontana e che tra noi e questa galassia sia presente una massa enorme. Secondo la teoria della relatività, la massa presente tra noi e la galassia deforma lo spaziotempo che la circonda. Nei pressi di questa massa enorme, dunque, la luce proveniente dalla galassia non viaggerà più in linea retta, ma sarà costretta a seguire una traiettoria curvilinea, un po’ come accade a un’auto lungo una rotatoria.

A causa di questa curvatura dello spaziotempo, le immagini delle galassie lontane ci appaiono distorte e ingrandite. Questo fenomeno è chiamato lente gravitazionale ed è perfettamente spiegato dalla teoria della relatività.

Come si può intuire, più una massa è grande, più la curvatura che imprime allo spaziotempo è grande. Questa curvatura diventa estrema nel caso dei buchi neri, corpi celesti con una massa centinaia (se non milioni o miliardi) di volte più grande di quella del Sole, concentrata in uno spazio estremamente ridotto. Lo spaziotempo attorno a un buco nero è distorto a tal punto che neanche la luce riesce a fuoriuscire da esso: un po’ come se un’auto finisse in una rotatoria con un raggio di curvatura talmente grande, da non riuscire più a tornare sul rettilineo.

Il Nobel 2020 per la Fisica ha visto come protagonisti proprio i buchi neri, come abbiamo raccontato sull’Aula di Scienze in questo articolo.

 

Teorie speculative: stringhe e gravità quantistica

Oggi sappiamo che i buchi neri esistono. Li abbiamo osservati misurando le onde gravitazionali prodotte dalla collisione di due buchi neri avvenuta 1,3 miliardi di anni fa. Siamo inoltre riusciti a osservare in grande dettaglio com’è fatto il “bordo” di un buco nero, cioè la zona da cui neanche la luce può sfuggire.

Ma che cosa c’è all’interno di un buco nero? Rispondere a questa domanda è invece molto difficile e una descrizione come quella proposta, per esempio, dal film Interstellar è azzardata; tuttavia la comunità scientifica sta cercando di formulare nuove teorie che spieghino che cosa succede all’interno di questi corpi celesti. Infatti se da una parte i buchi neri sono oggetti previsti dalla teoria di Einstein, dall’altra la relatività non riesce a spiegare esattamente che cosa accade da quelle parti. La ragione è che entrano in gioco effetti quantistici di cui la relatività non riesce a tenere conto.

La meccanica quantistica è una teoria che spiega con grande successo il comportamento delle particelle elementari e le loro interazioni. L’unica interazione che la meccanica quantistica non riesce a spiegare è proprio la gravità. A fare questo, come abbiamo detto, pensa la relatività. Il punto però è che meccanica quantistica e relatività non vanno molto d’accordo dove dovrebbero farlo, cioè quando si cerca di spiegare il cuore di un buco nero.

Per superare queste difficoltà negli ultimi 25 anni sono state formulate le teorie più speculative della fisica: la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop. Non ci addentriamo nei dettagli, ma ci basti sapere due cose: la prima è che queste teorie sono due tentativi di conciliare la relatività e la meccanica quantistica; la seconda è che nessuna di queste teorie è, a oggi, verificabile sperimentalmente. Ecco perché si parla di teorie speculative.
Insomma, la strada è ancora molto lunga e irta di difficoltà. E non sappiamo se ci saranno mai notizie positive su questo fronte. D’altra parte è proprio questo il bello della ricerca scientifica.

In questo articolo intitolato Riflessioni sulla fisica di Interstellar, Federico Tibone passa in rassegna i temi scientifici che fanno da impalcatura al celebre film di Christopher Nolan.

 

Che cos’è un wormhole?

Una delle applicazioni più affascinanti della relatività, che coinvolge buchi neri e curvature estreme dello spaziotempo, è il wormhole.

L’idea è insita nel nome stesso. Immaginiamo che l’universo sia la superficie di una mela; per andare da una parte all’altra della mela bisogna muoversi lungo la sua superficie. Un modo più rapido potrebbe essere quello di scavare un tunnel nella polpa, arrivando così dall’altra parte proprio come farebbe un verme. La teoria della relatività afferma che qualcosa del genere sia matematicamente possibile.

Per andare da un punto A a un punto B dell’universo ci si può muovere su una linea retta. Immaginiamo ora che nel punto A e nel punto B ci siano due buchi neri: in entrambi i punti quindi lo spaziotempo sarà fortemente distorto. Talmente ricurvo che tra quei due punti l’universo potrebbe piegarsi su se stesso come un foglio di carta: in questo caso i due punti A e B potrebbero ritrovarsi molto vicini e tecnicamente potrebbe essere possibile accorciare la distanza che li separa. Questo meccanismo è chiamato ponte di Einstein-Rosen.

Illustrazione di un wormhole o ponte di Einstein-Rosen (immagine: shutterstock.com)

Ma esistono davvero i wormhole? Non lo sappiamo ed è difficile trovarli, visto che dovremmo prima di tutto avvicinarci parecchio a un grosso buco nero. Per ora, anche in questo caso, restiamo nella speculazione, ma quanto meno la matematica non vieta l’esistenza di questi affascinanti oggetti.

Per conoscere più in dettaglio la struttura di un wormhole e le sue implicazioni scientifiche (e non), puoi guardare questo video di Amedeo Balbi, astrofisico e divulgatore scientifico:

 

Energia oscura o gravità modificata?

Messa così sembrerebbe che la relatività sia un’ottima teoria della gravità arrivata alle soglie delle previsioni più speculative: una teoria che funziona per quello che osserviamo, nell’attesa di quello che potremmo vedere un giorno. Ma è così? In realtà no. Attualmente la teoria della relatività è messa duramente alla prova e a farlo è l’astrofisica. Vediamo perché.

L’universo che oggi osserviamo su larga scala si sta espandendo, come previsto dalla teoria di Einstein. Sebbene possa sembrare incredibile, l’espansione dell’universo è, alla prova dei fatti, un fenomeno misurabile grazie alla misura delle distanze delle galassie lontane e attraverso lo studio della radiazione cosmica di fondo, la prima luce libera di vagare nell’universo 13 miliardi di anni fa circa.

Questi due metodi sperimentali ci permettono di stimare per esempio la quantità di materia presente nell’universo. Le osservazioni non vanno però d’accordo con le previsioni fornite dalla teoria di Einstein e gli scienziati si sono dovuti “inventare” l’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura per far tornare i conti. Ad oggi non sappiamo che cosa siano la materia oscura e l’energia oscura, ma sappiamo che devono esistere se vogliamo spiegare come funziona l’universo tramite la teoria della relatività.

È lecito dunque porsi un dubbio: e se materia oscura ed energia oscura non esistessero affatto e al contrario occorresse cambiare la teoria della relatività? È possibile. Non a caso molti fisici teorici hanno sviluppato versioni modificate della relatività, quelle che appunto si chiamano teorie di gravità modificata.

Molte teorie di gravità modificata sono formulate seguendo questo approccio: le equazioni della relatività generale sono modificate aggiungendo dei termini (che è lecito aggiungere, sia chiaro) che sotto una certa scala spaziale lasciano inalterata la teoria generale che conosciamo, mentre su distanze più grandi diventano importanti e si comportano come l’energia oscura. In pratica, secondo queste teorie si genera un meccanismo camaleontico in cui la gravità si comporta diversamente a seconda della scala su cui agisce.

Altre teorie di gravità modificata fanno invece ricorso all’esistenza di dimensioni extra. La relatività generale lavora in un universo che ha 3 dimensioni spaziali e una temporale; per dirla in breve possiamo dire che è una teoria 3+1. Alcune teorie di gravità modificata prevedono invece dimensioni extra in cui la gravità opera. Al momento, tuttavia, i dati forniti dalle onde gravitazionali sembrerebbero smentire questo approccio.

Il numero delle teorie di gravità modificata è enorme. Queste teorie imperversano continuamente nelle conferenze di astrofisica in giro per il mondo, anche se al momento mancano le prove a supporto di una versione modificata della relatività che metta d’accordo tutti.

Aula di Scienze si è ampiamente occupata nel corso degli anni dei temi della ricerca di frontiera in astrofisica e cosmologia. Puoi approfondire il racconto della scoperta delle onde gravitazionali leggendo questo articolo di Adele La Rana. Se invece vuoi sapere di più sulla materia oscura puoi proseguire la lettura con questo articolo di Michele Avalle.

 

La crisi della costante di Hubble

Se per un attimo consideriamo accettabile l’idea di vivere in un universo pieno di materia oscura ed energia oscura di cui non sappiamo assolutamente nulla, le cose tornano, vero?

Purtroppo no. I due metodi principali per studiare l’espansione dell’universo – la misura delle distanze delle galassie e la radiazione cosmica di fondo – ci forniscono anche la misura della costante di Hubble, che rappresenta un indice del tasso di espansione dell’universo. Più è grande il valore della costante di Hubble, più è elevato il ritmo con cui l’universo si espande e le galassie si distanziano tra loro.

Al momento questi due metodi di misura forniscono due stime della costante di Hubble molto diverse tra loro. Come mai? È uno dei metodi di misura a essere sbagliato oppure l’inghippo si nasconde nella teoria? Non lo sappiamo ancora.

Se vuoi sapere di più sui metodi sperimentali impiegati per misurare la distanza delle galassie, guarda questo video tratto dal canale Youtube Quantizzando:

Quello che sappiamo è che la comunità astrofisica riconosce questo come un momento di crisi, tanto che si parla addirittura di Hubble’s Constant Tension, ovvero di una situazione di ansia riguardo la stima di questo importante parametro.

Quel che è certo è che la teoria della relatività, con il suo modo unico di spiegare la gravità, ci ha aperto le porte per una comprensione incredibilmente profonda dell’universo. Il fatto che in alcuni casi i conti non tornino fa parte del gioco ed è anzi spesso vitale affinché la conoscenza progredisca ulteriormente. L’opera di Einstein resta una pietra miliare della scienza, una vetta (forse irripetibile) dell’intelletto umano. Toccherà a qualche gruppo di scienziate e scienziati provare ad andare oltre, trovando nuove strade in grado di portarci ancora più lontano.

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