(non) carnevale della fisica #13

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Vi è mancato il (non) carnevale della fisica? A me un po' sì, ma per molti motivi non soo riuscito a tenerlo in piedi negli ultimi mesi. L'occasione della scoperta delle onde gravitazionali mi sembrava, però, piuttosto ghiotta, in considerazione del fatto che è l'ultima osservazione sperimentale tra quelle previste dalla relatività generale di Albert Einstein. E visto che i 100 anni della relatività non li avevo degnamente festeggiati con apposito (non) carnevale, allora questa scoperta mi sembra un'ottima occasione per recuperare almeno in parte a quella mancanza.
Inizierei allora, in rigoroso ordine sparso, con Sandro Ciarlariello e le onde gravitazionali in parole povere:

L'annuncio dell'osservazione diretta delle onde gravitazionali da parte della collaborazione LIGO (che vuol dire Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) è stato fatto e questa è una di quelle cose che rimarranno nei libri di storia oltre che nella mente di tutte le persone appassionate di scienza e curiose fino al midollo. In pratica, LIGO ci ha detto che il segnale delle onde gravitazionali è stato osservato il 14 Settembre 2015 alle 10:51 di mattina (ore italiane), ma ne riparliamo tra poco.

Come è ovvio, il sito Media-Inaf si è impegnato con una serie di articoli dedicati alle onde gravitazionali. Di tutta l'ottima serie ho deciso di selezionare quello di Eleonora Ferroni che spiega LIGO, essenzialmente per la descrizione del rilevatore che ha permesso la scoperta:

LIGO sfrutta raggi laser – appunto – per individuare il transito di onde gravitazionali. Pensate che solo la fase di costruzione (terminata nel 1999) è costata 365 milioni di dollari ed è ancora il più grande e più ambizioso progetto mai finanziato dalla NSF. Dal 2002 al 2010 LIGO non ha rilevato alcuna onda gravitazionale, per questo gli strumenti sono stati “spenti” per 5 anni durante i quali i rivelatori sono stati sostituiti e migliorati. L’operazione di revisione (costata in tutto 200 milioni di dollari) ha portato ad Advanced LIGO, cioè un osservatorio che sarà fino a dieci volte più sensibile a questi segnali. Il 18 settembre 2015, Advanced Ligo ha iniziato le sue prime osservazioni scientifiche a circa quattro volte la sensibilità iniziale degli interferometri LIGO e la sensibilità sarà ulteriormente rafforzata fino a raggiungere il massimo intorno al 2021.

Anche in questa edizione è presente Oggi Scienza con un articolo di Veronica Nicosia:

L'esperimento Ligo ha osservato il segnale prodotto nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri che orbitavano uno intorno all'altro, costituendo così un sistema binario, con masse pari a 29 e 36 masse solari. I due buchi neri si sono fusi fino ad originare un unico buco nero di 62 masse solari e proprio le 3 masse solari mancanti dalla somma equivalgono all'energia che è stata emessa sotto forma di onde gravitazionali, queste vibrazioni che secondo la teoria della relatività generale di Einstein si originano proprio da un evento cosmico violento, come la collisione di due buchi neri, l'esplosione di una supernova o il Big Bang da cui ha avuto inizio l'universo.

Anche su Scientificast è tempo di onde gravitazionali. In particolare, tra gli altri, ne discutono Andrea e Paolo nel corso della 94.ma puntata del podcast:

La principale notizia di questa settimana è sicuramente la scoperta delle Onde Gravitazionali. Un successo internazionale della quale anche l’Italia ha fatto parte. Abbiamo intervistato in merito Michele Punturo, ricercatore INFN di VIRGO e Coordinatore Scientifico del progetto "Einstein Telescope" Design Study.

Su Wired, invece, è Amedeo Balbi a raccontare della scoperta con un come al solito bell'articolo:

Un miliardo e mezzo di anni fa, due buchi neri hanno danzato spiraleggiando uno accanto all’altro, sempre più vicini e veloci, fino a fondersi l’uno con l’altro. Ognuno di loro era una trentina di volte più massiccio del Sole, e dal loro incontro, in una frazione di secondo, si è sprigionata una quantità di energia pari a tre volte la massa della nostra stella. Se questa energia fosse stata emessa sotto forma di luce, ovvero di onde elettromagnetiche, la regione dello scontro avrebbe brillato più di tutte le stelle dell’universo messe assieme. Invece, ciò che successe fu che lo spazio stesso vibrò con violenza, come un gong colpito da un martello. Le increspature nello spazio, che i fisici chiamano onde gravitazionali, hanno viaggiato nell’universo alla velocità della luce, fino ad attraversare, nel settembre scorso, i bracci di un’antenna chiamata Ligo, costruita negli Stati Uniti proprio per captare questo tipo di segnali. La variazione di distanza nei bracci dell’antenna, lunga quattro chilometri, è stata minuscola, meno di un millesimo del diametro di un protone.

Anche Umberto Veronese e Sabrina Masiero si sono occupati della scoperta del mese, con un articolo semplice ma sostanzialmente completo:

E un qualsiasi oggetto dotato di massa, se accelerato, può increspare lo spazio-tempo. Una piccola difficoltà: queste increspature dello spazio-tempo, o onde gravitazionali, sono molto piccole e deboli – la gravità è di gran lunga la più debole tra le forze fondamentali della natura – tant'è che finora la sensibilità strumentale era troppo bassa per rivelarle.

Mauro Merlotti, invece, si occupa essenzialmente della parte teorica dietro le onde gravitazionali:

un campo elettrico variabile (ad esempio oscillante) genera un campo magnetico variabile (teorema di Ampere generalizzato), il quale a sua volta genera un campo elettrico variabile (legge di Faraday-Neumann-Lenz) e così via. L'oscillazione si propaga nello spazio.
Questo fu il ragionamento di Maxwell (attorno al 1870) che lo portò a prevedere l'esistenza di un fenomeno allora sconosciuto: le onde elettromagnetiche.
Oltre a prevederne l'esistenza, Maxwell dimostrò che queste onde si propagano nel vuoto con una velocità pari a 300.000 km/s.
In modo analogo, 2 stelle che orbitano intorno al loro comune centro di massa (e che quindi vengono sottoposte ad una continua accelerazione), hanno come risultato di produrre un'onda gravitazionale.

D'altra parte il successo di LIGO apre tutta una nuova strada all'astronomia gravitazionale, come ci ricorda Corrado Ruscica:

Le onde gravitazionali ci permetteranno di esplorare non solo alcuni aspetti della fisica fondamentale ma possibilmente potranno portarci ai primi istanti di vita dell'Universo. La domanda è: quali misteri della cosmologia potremo mai risolvere ora che siamo entrati nell’era dell’astronomia gravitazionale?

Cosa resta per chiudere? Non dei post direttamente collegati con le onde gravitazionali, ma un tris di proposte collaterali, iniziando con Annarita Ruberto che propone una traduzione di un post di Jonah Miller dedicato a Galileo Galilei e al fatto che è stato piuttosto vicino alla scoperta della relatività generale:

Conosciamo tutti la storia (probabilmente apocrifa). Galileo Galilei, un tipo davvero tosto per quanto riguarda la fisica, salì sulla cima della Torre Pendente di Pisa e lasciò cadere degli oggetti dalla sommità. Scoprì così che oggetti di peso assai diverso, come palle da bowling e piume, per esempio, cadrebbero esattamente con la stessa velocità e toccherebbero terra simultaneamente, se la resistenza dell'aria non ci si mettesse di mezzo, ovviamente. Ma se si esegue l'esperimento nel vuoto, come hanno fatto questi tipi nel filmato seguente, allora si vedrà che la palla da bowling e la piuma toccheranno terra simultaneamente

Dagli archivi di Leonardo Petrillo segnalo, poi, il confronto tra relatività e meccanica quantistica:

"Dio non gioca a dadi con l'Universo": questa celebre affermazione esclamata da Albert Einstein in una lettera del 4 dicembre 1926, indirizzata a Niels Bohr, ci rivela il contrasto dello scienziato tedesco con una particolare branca della fisica (la Meccanica Quantistica), che era in procinto di svilluparsi, mentre il genio tedesco, da solo, stava elaborando la teoria della Relatività Ristretta (o Speciale) prima, e la Relatività Generale, dopo.
Detto ciò, prenderemo in analisi, Relatività Generale e Meccanica Quantistica, le 2 più importanti teorie della fisica del XX secolo, confrontandole, illustrando la loro nota incompatibilità e un modello che cerca di unificarle coerentemente (la Teoria delle Stringhe).

Infine, in occasione del centenario della relatività generale, Le Scienze aveva proposto un numero speciale dedicato alla famosa teorica. All'interno di quel numero era presente anche un fumetto di Tuono Pettinato, che ho utilizzato come filo rosso per raccontare qualcosa sulla teoria einsteiniana:

La storia è estremamente breve, ma molto efficace: in 8 pagine, aiutato dalle versioni fumettistiche di Amedeo Balbi e Carlo Rovelli, Pettinato racconta in maniera gradevole e fisicamente ben argomentata la vita e le opere di Einstein, con una struttura e un umorismo che ricordano le biografie che mensilmente propone per linus.

L'ultimissima segnalazione è la versione in italiano del fumetto di Umberto Canella, Daniel Whiteson e Jorge Cham (quello di PhD Comics) che spiegano cosa sono le onde gravitazionali:

Con questo direi che l'edizione dedicata alle onde gravitazionali si conclude qui. E la prossima? Sul quando e sul dove, non so: in fondo son solo a portarla avanti e quindi dipende dal mio estro (per ora, o fino a che non ci saranno abbastanza blog da voler ospitare un'edizione).

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P.S.: L'Einstein del banner è estratto da uno sticker di Telegram.