«La gravità non spiega tutti i fenomeni che avvengono nell’Universo»

Tutti i fenomeni fisici dell’Universo sono governati da quattro forze fondamentali: la gravità, l’elettromagnetismo, l’interazione nucleare forte e l’interazione nucleare debole. Ed è proprio la gravità a essere la forza più misteriosa e affascinante. Ne parliamo con il professor Luca Guido Molinari, ospite questa sera di una conferenza alla Biblioteca cantonale di Lugano.

La gravità è la forza che ci tiene con i piedi per terra. Ma dal punto di vista della fisica moderna, sappiamo davvero di che cosa si tratta?
«La gravità ha una particolarità: può essere annullata lasciandosi andare in caduta libera. Se trascurassimo l’aria, un gruppo di paracadutisti appena dopo il lancio, sperimenta la stessa situazione degli astronauti nello spazio, in assenza di gravità. Questo ha fatto lungamente riflettere Einstein, che nel 1916 ha modificato la gravità di Newton dandone una descrizione geometrica. Lo spostamento delle stelle osservate vicino al Sole durante una eclisse e poi senza il Sole frapposto, dimostra che la luce ha fatto cammini diversi, e questo si legge naturalmente dicendo che la presenza del Sole ha modificato la nozione di retta, un fatto quindi geometrico».

Einstein, come ha appena ricordato, ha rivoluzionato il modo di pensare la gravità più di un secolo fa. Quanto è ancora attuale la sua teoria e dove invece mostra i suoi limiti?
«La teoria è attuale, e ha dimostrato di funzionare anche nella ricostruzione delle forme d’onda gravitazionali generate in condizione di gravità forte, ossia esperimenti teorici effettuati vicino a buchi neri o stelle di neutroni - dove i campi gravitazionali sono potentissimi - per rilevare deviazioni dalla teoria. I test della gravità finora condotti erano in condizioni di gravità debole, come quella che muove i pianeti. L’osservazione della rotazione delle galassie o dei moti all’interno degli ammassi galattici hanno messo in luce che, pur essendo in regime di gravità debole, addirittura Newtoniana, è necessario un ingrediente aggiuntivo di massa, appunto oscura: non sappiamo cosa sia, ma ne vediamo gli effetti».

Ecco, ha citato la materia oscura, a cui bisogna aggiungere anche un’altra componente «misteriosa», l’energia oscura. Componenti invisibili ma che sembrano dominare l’Universo. È possibile che stiamo osservando gli effetti di una gravità che non comprendiamo ancora del tutto?
«È la pista perseguita dalle teorie di gravità modificata, in particolare per quanto riguarda l’energia oscura. Le equazioni di Einstein hanno la forma G=T, dove G è una quantità geometrica (legata alla curvatura dello spaziotempo) e T è invece una quantità determinata dal contenuto di materia. Uno influenza l’altro e viceversa. Gli effetti osservati e imputati a energia e materia oscura potrebbero originare da una generalizzazione di G, e quindi discendere dalla geometria, oppure da nuove forme di materia da includere in T. I modelli sono molteplici, e la discussione è in pieno svolgimento».

La gravità è la più debole delle forze fondamentali. Perché allora è quella che governa pianeti, stelle e galassie?
«La gravità agisce su tutto, può essere solo attrattiva, ed è a “lungo raggio” (la forza decresce solo come il quadrato della distanza). Anche la forza elettrostatica è a lungo raggio e anche enormemente più intensa di quella gravitazionale, ma la materia è fatta di cariche positive e altrettante negative, e nella materia le forze si annullano su scala atomica. Tuttavia, sperimentiamo quanto sia difficile piegare o spezzare un pezzo di metallo: sono le forze elettrostatiche che lo impediscono».

Negli ultimi anni si è parlato molto di onde gravitazionali. Perché la loro scoperta è stata così importante anche per chi non fa il fisico?
«Fino a pochi anni fa la conoscenza dell’Universo era limitata al solo spettro elettromagnetico: luce visibile e vicino infrarosso attraverso i telescopi, onde radio attraverso i radiotelescopi, radiazione X e gamma (schermati dall’atmosfera) per mezzo di satelliti. Tale conoscenza ha un limite invalicabile: non si può osservare ciò che è avvenuto prima della combinazione degli atomi, quando l’universo aveva circa 380mila anni. Prima l’Universo caldo era opaco alla luce e nulla ci perviene da quel tempo lontano. Infatti, è quando si combinarono gli atomi che la radiazione iniziò a viaggiare su lunghe distanze. Quanto rimane di quel tempo antichissimo è la radiazione cosmica di fondo che permea l’intero Universo. Dal 2015, la rivelazione delle onde gravitazionali ha aperto una nuova finestra sul cosmo, un po’ come la nostra percezione visiva del mondo è integrata dalla percezione sonora, di natura tutta diversa. Le onde gravitazionali osservate sono causate da collisioni di oggetti massicci, come buchi neri e stelle compatte. Non sono soggette alla barriera ottica e potranno un giorno rivelarci aspetti dell’Universo antico che per ora è solo speculazione teorica. Come per le onde sismiche, per localizzare la sorgente, sono necessarie più antenne su scala globale. Attualmente sono quattro (due negli Stati Uniti, una in Italia, a Pisa, e una in Giappone). Una nuova proposta è il “telescopio” gravitazionale Einstein, in una miniera della Sardegna, in competizione con l’Olanda e la Germania. Altra finestra saranno i neutrini, emessi in abbondanza nelle esplosioni di supernova: abbiamo la tecnologia per rivelarli, come Icecube, un gigantesco rivelatore di un chilometro cubo nel ghiaccio dell’Antartide».

I buchi neri affascinano e spaventano il pubblico. Cosa ci insegnano davvero sulla gravità, al di là della loro fama “cinematografica”?
«Essendo oggetti estremi, sono laboratori di fisica estrema. Il buco nero al centro della nostra galassia si comporta come un centro di gravità molto massiccio e localizzato: ha tradito la sua presenza attraverso il moto ellittico delle stelle vicine, che ha permesso di misurarne la massa di 3 milioni di masse solari in un volume paragonabile al Sole. Indicatore della presenza di un buco nero è la radiazione X emessa dalla materia che vi ruota attorno e viene inghiottita. Ma come funziona la gravità all’interno? Vale ancora la gravità di Einstein? È un quesito ancora senza risposta, che attende una formulazione quantistica della gravità».