Nobel 2017 per la Fisica. Ne parla il prof. Francesco Gonella

Il premio Nobel per la Fisica è stato quest’anno conferito a Reiner Weiss, del Massachusetts Institute of Technology, insieme a Barry Barish e Kip S. Thorne, del California Institute of Techonology, “per i contributi decisivi al rivelatore LIGO e all’osservazione delle onde gravitazionali”. Ne parla il prof. Francesco Gonella, del dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi.

«A quasi un secolo dal premio Nobel ad Albert Einstein (peraltro motivato dagli studi sull’effetto fotoelettrico), la teoria della Relatività Generale continua quindi ad essere uno straordinario campo di sviluppo della fisica. Kip Thorne, che gode di una certa fama anche presso il grande pubblico grazie alla sua recente collaborazione alla sceneggiatura di un notissimo film di fantascienza hollywoodiano (n.d.r. ‘Interstellar’), ha costruito l’impianto teorico su cui poi i due fisici del Caltech hanno coordinato l’ideazione e la realizzazione dell’apparato sperimentale necessario a rivelare le onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali, teorizzate nella teoria einsteiniana del 1915, sono la manifestazione del legame profondo tra gravità e spazio-tempo. Così come un’onda sonora viaggia nell’aria perturbandola e facendone oscillare le molecole e un’onda marina viaggia perturbando la superficie dell’acqua, anche l’onda gravitazionale si manifesta come una perturbazione del mezzo in cui viaggia: lo spazio-tempo. In particolare, al passaggio dell’onda, sarà la geometria stessa dello spazio a ‘vibrare’, seguendo l’oscillazione del campo gravitazionale portato dall’onda stessa.

Ecco quindi che se per rivelare un’onda sonora serve un apparato che reagisca alle oscillazioni di pressione dell’aria (il timpano del nostro orecchio, ad esempio), per rivelare un’onda gravitazionale servirà un apparato in grado di ‘accorgersi’ di queste vibrazioni del tessuto spazio-temporale, vibrazioni che comportano una variazione delle lunghezze. E qui sorgono i problemi. La debolezza intrinseca delle onde gravitazionali fa sì che si possa sperare di osservarle solo a seguito di accadimenti cosmici particolarmente rilevanti, in grado di generare onde sufficientemente intense. Ad esempio, la collisione/fusione tra due buchi neri. Quella che arriva sulla Terra è comunque una perturbazione molto debole, capace di alterare una lunghezza sulla scala del km di una quantità pari a un milionesimo di miliardesimo di millimetro. Un po’ come voler misurare la nostra distanza da una stella con la precisione di un capello.

La sofisticatezza dell’apparato sperimentale in grado di rivelare questa variazione di lunghezza è semplicemente sbalorditiva, ed ha richiesto il lavoro pluriennale di migliaia di scienziati da tutto il mondo. Si tratta di un interferometro, che consiste sostanzialmente in due bracci a ‘L’, ciascuno di lunghezza pari a qualche km, perpendicolari tra loro, nei quali vengono fatti viaggiare due fasci di luce co-generati da un laser. Specchiati in fondo a ciascun braccio, i due fasci si ricongiungeranno all’incrocio della ‘L’, e un eventuale ritardo nell’arrivo di uno rispetto all’altro testimonierà l’avvenuto cambiamento della lunghezza del braccio lungo quella direzione a causa del passaggio di un’onda gravitazionale. Inutile dire che questa descrizione non rende giustizia all’immensa mole di problemi affrontati e risolti, non fosse altro che per ‘pulire’ i segnali dall’influenza delle vibrazioni ambientali, in grado di provocare oscillazioni nell’apparato su scale miliardi di volte più rilevanti di quelle dell’onda.

In effetti, esistono 3 di questi interferometri, che costituiscono un vero e proprio laboratorio globale. E’ proprio la rivelazione contemporanea da 3 siti diversi che consente di sostanziare l’osservazione, consentendo inoltre di determinare la posizione nel cosmo dell’evento-sorgente dell’onda gravitazionale rivelata. I due laboratori denominati LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, osservatorio di onde gravitazionali tramite interferometro a laser) sono negli Stati Uniti, negli stati di Washington e Louisiana, il terzo, VIRGO, ha sede a Cascina (Pisa), in Italia, a testimonianza della straordinaria vitalità della fisica italiana nel contribuire al progresso della conoscenza e delle tecnologie che questo progresso via via richiede. Ed è difficile in questo contesto fare a meno di chiedersi come potrebbero andare le cose alla ricerca scientifica italiana tutta, se venisse finanziata allo stesso livello degli altri Paesi industrializzati in Europa e nel mondo.»

Prof. Francesco Gonella, dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi