La gravità e la curvatura dello spazio

La gravità e la curvatura dello spazio

La teoria della relatività

Con la pubblicazione delle due opere riguardo la relatività, Albert Einstein pone le basi per una fisica nuova, moderna, slegata dalle verità assolute della fisica classica. Il nucleo centrale della "Relatività Ristretta" è proprio l'affermazione dell'inesistenza di un sistema di riferimento privilegiato rispetto agli altri. Questo principio entra in piena funzionalità già con l'elaborazione della teoria di Hubble, secondo al quale ogni punto dell'Universo si muove rispetto agli altri. Quindi il moto che noi osserviamo è solo apparente, in quanto anche la Via Lattea, e la Terra stessa, subiscono questa accelerazione che le porta ad allontanarsi dagli altri corpi galattici.

Risvolti più complessi e interessanti ha invece la seconda formulazione della relatività einsteiniana, la "Relatività Generale". Questa, generalizzazione della "Relatività Ristretta", propone nuove idee soprattutto riguardo il concetto di massa ed energia. Proprio questa teoria è protagonista nella spiegazione delle reazioni termonucleari che avvengono nel nucleo delle stelle. Quando infatti si bruciano gli elementi atomi, il difetto di massa che "avanza" dalla formazione dei nuclei più pesanti viene trasformato in energia, detta pressione di radiazione che bilancia l'attrazione gravitazionale che farebbe collassate la stella nel nucleo. Infatti quando la spinta delle radiazioni nucleari viene meno la stella vive fasi di instabilità che ne caratterizzano l'evoluzione e la morte. Un secondo ambito in cui il nuovo concetto di massa ed energia ha aiutato a formulare nuove teorie si trova nei primi attimi di vita dell'Universo. Come già detto, la grande energia sprigionata dal Big Bang si è trasformata in massa, creando alcune delle prime coppie di particelle-antiparticelle.

Tuttavia la parte sicuramente più innovativa della "Relatività Ristretta" è l nuova visione di gravità. Essa raggiunge nella cosmologia moderna il ruolo di protagonista. Sarà proprio la gravità, con la densità, a determinare il futuro dell'Universo. Essa infatti, attraverso le masse, incurva lo spazio-tempo, in modo da deviare le onde e le masse nelle vicinanze in modo sorprendente. Questa nuova geometria dello spazio si propone parallelamente alla geometria sferica di Bernhard Riemann. Infatti nello spazio-tempo einsteiniano la linea più breve che congiunge due punti distinti è una curva geodetica, cioè un arco di circonferenza massimo. Questa curvatura è tanto più accentuata quanto più la massa è concentrata in un punto. In questo modo, oggetti ideali molto  densi e molto piccoli possono incurvare lo spazio in modo tale non solo di incurvare le onde elettromagnetiche, ma anche di impedirne il passaggio. Siamo qui in presenza dei cosiddetti "buchi neri", oggetti cosmici che assorbono tutto quelle che entra nel loro raggio d'azione gravitazionale. Anche la luce, l'onda che viaggia più velocemente conosciuta nell'Universo (secondo la "Relatività Ristretta"), viene incurvata da questo oggetto in modo tale che essa non riesca a sfuggire dalla superficie del buco nero. A conferma di questa ipotesi si può interpretare il buco nero come un oggetto di massa tale che possegga una velocità di fuga maggiore della velocità della luce, e che quindi nessun oggetto e nessuna onda gli possa sfuggire.

Le verifiche sperimentali in campo cosmologico

Oltre a questi oggetti teorici la "Relatività Generale" ha avuto molte conferme sperimentali, soprattutto in campo astronomico. Il più famoso esperimento è la spedizione della Royal Astronomical Society del 1919 di Arthur Eddington, volto a dimostrare la bontà della curvatura dello spazio ad opere di grandi masse. Si osservò infatti, durante un'eclissi totale di Sole, la stessa stella da posizioni diverse e si ottenne il risultato aspettato: il Sole incurvava la luce della stella lontana; fungeva cioè da lente gravitazionale.

Una seconda prova astronomica è la perturbazione dell'orbita di Mercurio. Infatti la teoria classica di Newton non riusciva a spiegare perfettamente alcune fluttuazioni dell'orbita del piccolo pianeta. Solo grazie alla teoria einsteiniana si riuscì a calcolare ciò che realmente si osservava, dimostrando così la veridicità della teoria.

Anche la teoria della "Relatività Ristretta" ha avuto conferme astronomiche e ha spiegato fenomeno non interpretabile in altro modo. L'esempio più comune è il tempo di decadimento di alcune particelle molto instabili, i mesoni μ. Essi sono particelle elementari appartenenti ai leptoni con carica uguale a quella degli elettroni. Questi vengono riconosciuti quando i raggi cosmici, entrando in atmosfera terrete, si scontrano con altri atomi e creano particelle più leggere, tra cui proprio questi muoni. Questa particella a riposo ha un tempo di vita pari a 2,2 ·10¯ secondi. Queste particelle, dal tempo di creazione al tempo di decadimento, seppur viaggiando a velocità altissime, riuscirebbero a percorrere al massimo 660 m in quanto:

prendendo come velocità massima la velocità della luce. Ora queste particelle sono raccolte a Terra da particolari strumenti. La distanza che percorrono è quindi più alta di 660 m, in quanto l'atmosfera terrestre è spessa vari kilometri. La teoria spiega perfettamente che per la particella in moto a velocità alte, vicine a quella della luce, l'orologio proprio scorre più lentamente e quindi il decadimento, avvertito da Terra avviene più lentamente.

Le lenti gravitazionali

Ogni oggetto celeste abbastanza massiccio provoca delle alterazioni del tessuto spaziale. Infatti quest'ultimo viene incurvato e con esso tutte le radiazioni che vi passano nelle vicinanze. Quando la massa è abbastanza alta si creano spettacolari fenomeni definiti come lenti gravitazionali. L'osservazione di tale fenomeno è possibile soprattutto grazie ai quasar, i "quasi-stellar object", oggetti celesti misteriosi che si osservano ad alto redshift e spesso attraverso lenti gravitazionali.

Riporto di seguito alcuni esempi di lenti gravitazionali
Conclusione

La trattazione di questo argomento non si è rilevata assolutamente facile. Innanzitutto per le varie fonti prese in esame, spesso discordanti tra loro. Gli stessi studiosi sono spesso indecisi su quale modello sia più affidabile, proprio in quanto ci troviamo in presenza di puri modelli teorici, elaborati alla luce delle conseguenze e senza conoscerne i passaggi precisi. Qualora si riscontrino errori dovuti a diversa interpretazione dei dati la causa può essere imputabile soprattutto alle fonti prese in esame dal sottoscritto, ovviamente riportate nella Bibliografia. Questo argomento, nelle sue varie sfaccettature, può essere fonte di profondi ragionamenti, sia di ambito scientifico che filosofico. La scienza infatti si è sempre proposta di risolvere questi problemi, non dando mai risposte decise e indiscutibili. In campo filosofico, l'accettazione di una teoria che esclude ogni intervento divino nella concezione del cosmo  toglie all'uomo il primato e la centralità di essere unico osservatore.

Appendice

In Appendice riporto l'esperienza di stage osservativi svolta presso l'Osservatorio Astrofisico Cima Pennar di Asiago. L'elaborato, basato sullo studio morfologico e fotometrico di un gruppo di galassie, HCG 51, porta prove che certificano la validità della teoria del Big Bang, argomento centrale di questa trattazione. I dati in questione sono riportati a pagina 4, nella tabella dei dati di redshift.