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La teoria della Relatività generale compie cent'anni ed è in gran forma

Nel 2015 la Teoria della Relatività generale di Albert Einstein compie cent'anni. Ecco un breve ripasso e perché ci sarà ancora utile in futuro.

La teoria della Relatività generale compie cent'anni ed è in gran forma

Teoria della Relatività

La Teoria della Relatività generale di Albert Einstein se la cava ancora egregiamente a un secolo dalla sua nascita. Nel 2015 infatti questo caposaldo della fisica moderna compie cent'anni: fu pubblicata nel 1915 e tutt'oggi è alla base delle ricerche sull'origine e l'evoluzione dell'universo. Continua a ispirare la ricerca delle risposte che ancora mancano ad alcune delle domande fondamentali della fisica e dell'astronomia.

gravity probe

Roger Blandford dell'Istituto Kavli di Astrofisica delle particelle e Cosmologia presso la Stanford University ha affermato che la relatività generale "è ora, credo, regolarmente accettata come il fondamento della nostra descrizione dell'Universo nel suo insieme, che noi chiamiamo cosmologia; dei buchi neri, delle stelle di neutroni e delle piccole correzioni alle orbite dei pianeti e delle astronavi nel nostro sistema solare".

La natura della gravità

La Relatività generale aggiunge la gravità alla teoria della relatività ristretta che Einstein pubblicò nel 1905. La relatività ristretta presuppone che le leggi della fisica siano le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali, e che la velocità della luce nel vuoto non cambia mai, anche se l'osservatore o la sorgente luminosa sono in movimento.

La relatività ristretta esprime anche la relazione tra energia e massa con la più famosa equazione della storia: E=mc2, dove "E" è l'energia, "m" è la massa, e "c" è la velocità della luce nel vuoto - circa 1080 milioni di chilometri all'ora. La teoria ha anche unificato spazio e tempo in un quadridimensionale "spazio-tempo".

albert einstein

La relatività generale ha ampliato ulteriormente quest'ultima idea, spiegando che la materia deforma lo spazio-tempo, allo stesso modo in cui una palla da bowling appoggiata su un letto piega il lenzuolo. Per arrivare a questa intuizione grandiosa Albert Einstein ha dovuto fare più di dieci anni di duro lavoro e riflessioni.

Blandford ci ha spiegato che "ha dovuto ritornare sui suoi passi. Ha proposto cose che in seguito si è rimangiato. Ma ha continuato. Non è stato guidato da idee o da teoremi matematici, ma principalmente e innanzi tutto dall'intuizione fisica, la stessa intuizione fisica straordinariamente potente che lo aveva già aiutato in passato e che non l'ha deluso nemmeno questa volta".

La relatività generale caratterizza la gravità non come una forza innata che agisce sugli oggetti, ma piuttosto come la conseguenza della curvatura di spazio-tempo (immaginate una biglia che rotola giù per un pendio creato dalla palla da bowling sul letto).

È un'idea potente, drastica, che è stata oggetto di intensi esami per un secolo, come spiega Blandford in una articolo pubblicato il 5 marzo sulla rivista Science.

La conferma da più parti

La relatività generale prevede che la luce avrà una traiettoria curva attorno ad un oggetto massiccio, come per esempio un ammasso di galassie, che deforma la struttura dello spazio-tempo in modo significativo.

La teoria è stata osservata, tant'è vero che gli astronomi usano abitualmente "lenti gravitazionali" per studiare fonti luminose lontane. Inoltre, su scala minore, il fenomeno aiuta coloro che cercano pianeti al di là del nostro Sistema Solare, dato che i pianeti extrasolari a volte vengono individuati studiando il modo in cui i loro sistemi stellari piegano la luce rispetto allo sfondo.

relativity
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La relatività generale spiega anche la peculiarità dell'orbita di Mercurio intorno al Sole, come fa notare Blandford su Science. "[La relatività] ha spiegato la precessione anomala del perielio di Mercurio. […] Eintein ha usato la relatività generale per spiegare una discrepanza di circa il 10 percento della precessione attribuibile alla forza gravitazione degli altri pianeti, pari a ~ 43 secondi d'arco per secolo".

Altri tipi di evidenze hanno poi contribuito a riconoscere le basi solide della relatività generale. Sempre Blandford spiega difatti che i fisici l'hanno constatata "in molti, molti modi diversi", tanto che "è giusto dire che non c'è nessuna osservazione o misura credibile che possa far dubitare della sua validità".

Un universo scuro

La relatività generale implica anche che la stragrande maggioranza dell'Universo sia composto di cose che gli esseri umani non possono rilevare direttamente o (a questo punto) anche solo capire, precisa David Spergel della Princeton University in un altro articolo sullo stesso numero di Science.

Un attento studio del moto della materia e della luce in tutto l'Universo ha rivelato che la materia "normale" da sola non può spiegare i modelli di curvatura dello spazio-tempo. Infatti, osservazioni suggeriscono che solo il 5 percento dell'universo è composto di materia atomica che conosciamo, mentre il 25 percento è materia oscura e circa il 70 percento è energia oscura.

La materia oscura non emette né assorbe luce, e tradisce la sua esistenza solo attraverso i suoi effetti gravitazionali. L'energia oscura è una forza misteriosa che è associata con lo spazio vuoto e si ritiene sia responsabile dell'accelerazione dell'espansione dell'universo.

Nel 1917 Einstein inserì la "costante cosmologica" nella relatività generale, come una forza repulsiva che contrasta la gravità e fa ottenere un universo statico. Dopo le osservazioni dell'astronomo Edwin Hubble del 1929 - che come noto hanno dimostrato che l'universo è in realtà in espansione - Einstein tolse la costante cosmologica, reputandola il "più grande errore" della sua vita.

Ma la costante sembra una preveggenza ora che gli astronomi sono alle prese con la natura dell'energia oscura. "Perché l'universo sta accelerando? La possibilità più studiata è che la costante cosmologica stia guidando l'accelerazione cosmica" scrive Spergel su Science. "Un'altra possibilità è che ci sia un campo scalare in evoluzione che riempie lo spazio (come il campo di Higgs o il campo d'inflazione che ha guidato la rapida espansione dell'universo alla sua nascita). Entrambe le possibilità sono aggregate insieme nell'energia oscura.

"Dato che tutte le prove dell'esistenza dell'energia oscura sfruttano le equazioni della relatività generale per interpretare le nostre osservazioni dell'espansione e dell'evoluzione dell'universo, una conclusione alternativa è che ci vorrebbe una nuova teoria della gravità per spiegare le osservazioni" aggiunge Spergel. "Le possibilità includono teorie di gravità modificate con dimensioni extra."

Il futuro

La relatività generale dovrebbe continuare a guidare gli sforzi di fisici, cosmologi e astronomi in futuro, scrive Blandford.

Per esempio, i ricercatori continueranno a usare questa teoria per migliorare la comprensione dei buchi neri, delle stelle di neutroni e di altri corpi e fenomeni celesti. Gli scienziati continueranno a sondare la natura dell'energia oscura e della materia oscura, nel tentativo di comprendere l'universo su larga scala.

Infine, e forse più eccitante, i ricercatori continueranno a tentare di unificare la Relatività Generale con la meccanica quantistica, per raggiungere la "grande e sospirata teoria del tutto" che finora è sfuggita ai fisici, ma che secondo Blandford è realizzabile.

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