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Onde gravitazionali: Einstein aveva ragione

Einstein finì la stesura della sua Relatività Generale nel 1915 e la pubblicò nel 1916 (dopo aver sviluppato la Relatività Speciale nel 1905); cent’anni dopo, nel 2015, un complesso esperimento italo - americano è riuscito a rivelare una delle predizioni della teoria stessa e cioè le onde gravitazionali.

L’esperimento Virgo si è svolto in località Cascina di Pisa in Italia, mentre Ligo si è svolto nello Stato di Washington (Handford) e in Louisiana (Livingston) negli Usa.

Ligo aveva il compito di analizzare le alte frequenza mentre Virgo si è occupato di frequenze più basse.

In questo esperimento le onde sono state intercettate da Ligo il 14 settembre 2015 ed analizzate da Virgo .

Ma cosa sono le onde gravitazionali?

Per capirlo dobbiamo richiamare un’analogia con le onde elettromagnetiche; quando una carica elettrica viene accelerata emette delle onde elettromagnetiche che, per determinate frequenze, si mostrano come luce.Così, seguendo l’analogia, quando un corpo viene accelerato, secondo la teoria della Relatività Generale, deve emettere delle “onde” che si propagano come increspature del cronotopo alla velocità della luce, chiamate appunto “gravitazionali”.

Matematicamente, invece, le onde gravitazionali sono alcune soluzioni delle equazioni di campo non lineari della gravità di Einstein; per questo erano state "previste" prima che fossero effettivamente osservate.

Tuttavia una cosa che non è stata fatta notare da nessuno durante questo periodo "celebrativo" è che lo stesso Einstein, dopo averle previste nel 1916, non credeva più all'esistenza delle onde gravitazionali, sebbene fosse guidato dall'analogia elettromagnetica di cui abbiamo parlato poco fa.

Questo cambio di visione fu  sancito addirittura da un articolo dal titolo "Do gravitational waves exist?" del 1936 inviato alla prestigiosa rivista "Physical Review"; Einstein proveniva dalla Germania e trovandosi solo da qualche tempo negli Usa non era a conoscenza delle diverse usanze scientifiche (ora adottate in tutto il mondo).

Einstein inviò dunque l'articolo scritto insieme al suo assistente Nathan Rosen dell'Istitute for Advanced Studies di Princeton al direttore che lo girò, come si usa ad un esperto per la revisione, il cosmologo Howard Percy Robertson la cui relazione fu negativa evidenziando un errore matematico.

Quando Eisntein ebbe tale relazione si infuriò e scrisse al direttore che non aveva inviato il suo articolo per farlo leggere ad altri colleghi prima della pubblicazione;il direttore, correttamente, fece notare che questo era il procedimento americano ed Einstein non pubblicò mai più per quella rivista.

A questo punto Einstein inviò l'articolo ad un'altra rivista, e cioè il "Journal of the Franklin Istitute", ma prima della pubblicazione si accorse dell'errore che corresse.

Il problema molto tecnico di  fisica - matematica riguardava il tipo di onde che ci si aspettava di trovare, non "piane" e che generavano una singolarità -come erroneamente ipotizzato nella prima stesura dell'articolo- ma "cilindriche" e cioè non onde il cui piano di polarizzazione è costante ma onde per cui tale piano varia in continuazione con l'avanzare dell'onda stessa.

(cfr, Pais A., "Sottile è il Signore...", Bollati Boringhieri).

Ma torniamo alle onde rilevate sperimentalmente.

Nel caso dell’esperimento in questione le onde gravitazionali che sono state intercettate dai sensibilissimi rivelatori al laser americani sono state quelle prodotte da un vero e proprio cataclisma cosmico avvenuto circa un miliardo e mezzo di anni fa e cioè lo scontro a 150.000 Km/s di due buchi neri di massa rispettivamente 36 e 29 volte quella del nostro sole.Il buco nero risultante dalla fusione dei due buchi neri iniziali aveva massa di 62 masse solari; le 3 masse solari mancanti danno conto dell’energia prodotta nell’impatto ed emessa appunto come onde gravitazionali.

Ricordiamo che un buco nero è una struttura gravitazionale così densa da cui neppure la luce può sfuggire.

In Relatività Generale lo spaziotempo è definito da una “metrica”, che viene deformata dalla presenza di corpi; le onde gravitazionali sono una deformazione della metrica dello spazio tempo che in esso si propaga;se immaginiamo lo spaziotempo come un telo elastico le onde gravitazionali sono delle increspature di tale telo che si propagano dal buco nero fino al nostro pianeta.

Ma come si fanno a rivelare le onde gravitazionali?

Grazie ad alterazioni della metrica spaziotemporale riconducibili a piccolissime modifiche di fase di fasci laser (un miliardesimo del diametro di un atomo) causati dalle debolissime onde gravitazionali negli interferometri di Michelson (formati da due bracci perpendicolari lunghi 4 Km in Ligo e 3 Km in Virgo) ; se tali modifiche ci sono state saranno rivelate grazia al formarsi di opportune frange di interferenza.I fasci laser hanno il compito di misurare la variazione infinitesimali dei bracci stessi.

 Virgo è in funzione dal 2003 mentre Ligo lo è dal 2002.

Questa scoperta resterà nella storia della fisica per due motivi: ha trovato una delle conseguenze sperimentali più importanti della Teoria di Einstein ed, inoltre, ha finalmente dato una prova diretta dell’esistenza dei buchi neri.Inoltre, altro punto fondamentale, da ora si è aperta una nuova “astronomia” e cioè quella “gravitazionale; finora per motivi legati alla natura stessa della luce si è potuto osservare l’universo solo a partire da 300.000 anni dopo il Big Bang; da adesso si potrà cominciare a studiare l’universo dal momento del Big Bang stesso.

 

Bibliografia

 

Albert Einstein, “Il significato della Relatività”, Bollati Boringhieri, 1971.

http://www.ibs.it/code/9788833951744/einstein-albert/significato-della-relativitagrav.html

 

Giuseppe Vatinno, “Storia naturale del Tempo. L’ ‘effetto Einstein’ e la Teoria della Relatività”, Armando Editore, 2014.

http://www.sif.it/attivita/saggiatore/recensioni/vatinno

 

Giuseppe Vatinno, “Sette brevi lezioni di Relatività”, Aracne, editrice 2015.

http://www.aracneeditrice.it/aracneweb/index.php/pubblicazione.html?item=9788854888760

 

Giuseppe Vatinno (articolo), "Sul concetto di etere in elettromagnetismo e relatività", Giornale di Fisica (Società Italiana di Fisica), Year 2015 - Issue 1 - January-March, 

http://www.sif.it/riviste/gdf/econtents/2015/056/01/article/0

 

 

 

 

Tags:
einstein;onde gravitazionali;
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