L'11 febbraio 2016 se ne è annunciata la prima osservazione diretta. In passato sono state predette da Albert Einstein e osservate solamente in modo indiretto. L'osservazione diretta però ha tutto un altro significato, potrei dire che il nostro Albert ha centrato anche questa! Ma quale potrebbe essere l'eventuale uso, i vantaggi delle proprietà intrinseche dello spazio-tempo? Proprieta' che sono, di fatto, caratteristiche naturali della metrica quadridimensionale di cui è fatto l'universo. Attenzione, in questo articolo la vostra capacità di astrazione verrà stimolata a tal punto da toccare l'iperdimensionalità con le mani del vostro pensiero.
Introduzione
L'esistenza delle Onde Gravitazionali è stata teorizzata, quindi predetta, da Albert Einstein (figura 1) nel 1915. Quale altra mente geniale poteva meglio descrivere un fenomeno fisico di questa portata. Un fenomeno che è descrivibile teoricamente e che allo stesso tempo la nostra mente trova difficoltà ad immaginare. Capire la forma, la struttura e la fisica che sta alla base delle Onde Gravitazionali non è affatto semplice. Bisogna confrontare metriche di diverse dimensioni, alzare il livello della nostra comprensione. Gli argomenti che l'uomo è arrivato a comprendere a volte sono tali che se fossero il contesto di un romanzo di fantascienza non ce ne accorgeremmo.
Figura 1 - Albert Einstein
Affrontiamo subito il nocciolo della questione. Nel 1905 con la Relatività Speciale la nuova metrica spazio-temporale rese lo spazio e il tempo delle grandezze relative e non più assolute (come invece erano nella fisica Newtoniana); questo fu il primo passo. Il secondo passo fu quello di aver posto la velocità della luce "c" come costante universale, professionalmente parlando un'invariante per trasformazioni di Lorentz. Gli effetti gravitazionali non possono propagarsi a velocità infinita perché essa risulta non invariante per trasformazioni di Lorentz. Se ne dedusse la probabilità di una propagazione sotto forma di onde alla velocità della luce. Quindi già con la Relatività Speciale si intuì la loro probabile esistenza, ma non la fisica intrinseca.
La predizione vera e propria, Einstein, la fece nel 1915 con la pubblicazione di una nuova teoria in completamento della precedente: la Teoria della Relatività Generale. Se quella Speciale (o Ristretta) era geniale questa possiamo ritenerla immensamente geniale.
La predizione delle Onde Gravitazionali da parte di Einstein consiste in una particolare e complessa soluzione della Relatività Generale.
La metrica dello Spazio-Tempo
Nella fisica di tutti i giorni, quindi nella realtà in cui viviamo, trattiamo tutto come se la fisica fosse basata sulla fisica di Newton. Possiamo ritenere questo corretto, ma ciò vale solo approssimativamente. Riusciamo velocemente a rappresentare una figura geometrica triviale come quella di una sfera in uno spazio a tre dimensioni? Certo, lo facciamo sin [...]
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Un bel articolo, completo nelle sue parti. Mi ricordo l’antenna Nautilus al INFN Frascati (Roma), una delle prime costruite per la rivelazione delle onde gravitazionali: il sistema DAQ era basato su un controllo VME (linux) con ADC e GPS per sincronizzare gli eventi.
beati voi che riuscite a “vedere” quello che abbiamo attorno e non vediamo! Certo che Einstein era un grande ed ha dimostrato anche che il nostro cervello ha molta più potenza di quella che normalmente utilizziamo!
Lui aveva un cervello come tutti noi, però lo ha utilizzato percentualmente più di noi!
C’è tanta di quella energia che la lasciamo arrivare senza farci nulla (o quasi). Sarebbe bello scoprire come ha fatto ad utilizzare (in percentuale) più cervello…
La curiosità di voler conoscere la struttura dell’universo sta alla base di tutto, dal micro al macro. La curiosità accende il nostro cervello e la genialità nasce di conseguenza.
Non mi piace quando non riesco a cogliere il senso delle cose, con questo articolo finalmente comincio a digerire l’argomento. Io avrei usato il termine rilevare invece rivelare, è facile scambiare i termini ma non vorrei che qualcuno intendesse messa in discussione la laicità della fisica.
Grazie all’autore per l’upgrading intellettuale.
Grazie, mi fa piacere se un mio articolo possa venire incontro ai vostri dubbi e quindi chiarire meglio l’argomento. Confermo che per chi non è del mestiere sarebbe meglio rilevare per una migliore trasparenza divulgativa.
Un giorno, le onde gravitazionali potranno servire ad alimentare i dispositivi low power ? Un po’ come facciamo con i raggi solari…
Le onde gravitazionali sono per noi una fonte inesauribile di energia e come nell’energia solare viene accumulata l’energia del fotone, anche per l’energia gravitazionale potrà essere accumulata l’energia del gravitone. Il gravitone ad ora è una particella teorica ma che forse in futuro potrà avere dei riscontri sperimentali. Lo stesso vale per teoria della gravità quantistica che darà l’input verso questo tupo di applicazione energetica e non solo…
Ciao Alessandro,
scusa se scrivo solo ora, ma me lo ha segnalato da poco Maurizio.
Prima di tutto, complimenti per l’articolo molto bello. Ti ringrazio soprattutto per la citazione del mio grande eroe Wheeler e dal suo grande Gravitation, ovvero “la materia dice allo spazio come curvarsi, lo spazio dice alla materia come muoversi”.
Leggo quel libro a tratti, in modo che mi duri tutta una vita (anche se e’ un po’ datato per me e’ sempre ineguagliabile, e te lo dice uno che ha un intera collezione dei testi piu’ famosi: Wald, Hartle, Carroll, Zee et al).
Sto giusto in questo periodo cercando di passare dallo studio della QFT alla CFT (Conformal Field Theory), perche’ lo scopo e’ arrivare al Monster Moonshine, passando per le Vertex Algebra (chiaramente ci vorranno anni per me per arrivarci).
Visto che hai citato la teoria della gravita’ quantistica, volevo chiederti se credi piu’ alle Stringhe (quindi CFT, AdS/CFT correspondance etc etc) o se sei piu’ verso la LQG (Loop Quantum Gravity), quindi Rovelli, Smolin, etc.
Visto la tua preparazione cosi’ cross-fisica-elettronica-informatica, mi interessa moltissimo il tuo parere.
Grazie.
Ciao Riccardo,
intanto grazie per aver apprezzato il mio articolo, semplice ma spero efficace. Per rispondere alla tua domanda posso dirti che per quanto riguarda la LQG di Rovelli è più convincente la parte teorica che il significato che se ne trae sul tempo, anzi sul fatto che il tempo in un certo senso non esiste. E’ vero che la teoria spiega matematicamente alcune cose complesse, astratte, ma alla fine resta una teoria ancora tutta da dimostrare. Spiegare e far capire che il tempo non esiste è difficile tanto quanto dimostrarlo teoricamente. Ricordiamoci che la LQG ha una parte fortemente basata sulla statistica affiancandosi alla meccanica quantistica. La teoria delle Stringhe a sua volta è simile in un certo senso, parti basate sulla statistica e una teoria con più falle rispetto alla LQC ma che però sembra più logica e “intuitiva”. Attenzione tutto è relativo, anche l’intuizione se parliamo di concetti astratti e per noi poco reali, la meccanica quantistica ne è un primo esempio. Credo comunque che la teoria delle stringhe stia ancora all’inizio della sua storia e che con il concetto di stringa possa spiegare cose che anche la LQG non spiegherebbe (o sembra non poter spiegare). Ad esempio la teoria delle stringhe immagina il tessuto spazio-temporale come un filamento di stringa, l’universo nasce dal famoso Big Bang ebbene con la stringa non si arriva al punto di singolarità iniziale da dove poi nasce tutto ma c’è un minimo che il raggio della stringa può avere per poi subire un rimbalzo. Da questo vuol dire che l’universo si espande poi si ricontrae e poi si espande di nuovo e così via all’infinito. Credo quindi di più alla teoria delle stringhe, ma non solo per questo motivo. Sembrava finita ma ad un certo punto essa è rinata, anche la Teoria della Relatività Generale ebbe un periodaccio durante la sua evoluzione. Questo è affascinante in un certo senso. La teoria di Rovelli è ancora al brodo primordiale non solo dal punto di vista teorico ma anche deduttivo. Che il tempo non esiste è un concetto ancora difficile da digerire, affascinante ma poco credibile. Mentre la stringa ha una sua evoluzione, modo di vibrazione che ancora si estende nel tempo, questo potrebbe farla legare alla Relatività Generale magari divenendo la teoria che la completa o che la ingloba! Tutto è da vedere, per ora rimango saldamente legato al mio amato A. Einstein su cui ancora ci sarà molto da lavorare.
Ciao Alessandro,
grazie della tua esauriente risposta. Io, diversamente, non credo nella teoria delle Stringhe, per quanto la sua parte matematica mi piace molto di piu’.
Il problema principale che vedo e’ che essa e’ intimamente legata alla supersimmetria. Senza la supersimmetria, le dimensioni che servono sono 26, mentre si riducono a “solo” 10 con la supersimmetria. Ebbene, purtroppo questa non e’ stata trovata come sperato negli ultimi run al CERN. Anche uno dei grandi teorici, Nima Arkadi, inizia ad avere dei dubbi.
Anche sull’ultimo libro di Penrose, tradotto in italiano come Numeri, Teoremi e Minotauri, fa una lunga invettiva sui gradi liberta’ della teoria, che non sarebbe in grado di fare predizioni.
Per il resto la teoria e’ troppo aperta, non fa predizioni certe (come la LQG) ma e’ un buon strumento di calcolo (si veda l’uso che ne ha fatto Maldacena per il calcolo del principio AdS/CFT). La parte che interessa a me e’ la CFT come bellezza della sua matematica e come strada che porta alle algebre di vertice e quindi al Monster Moonshine.
Detot questo, io non ho fiducia ne nelle stringhe ne nella LQG. Sono teorie troppo speculative, anche se cmq le stringhe richiedono secondo me un palazzo matematico di 26 dimensioni (visto che la supersimmetria sembra non esistere) un po’ difficile da digerire.
Io credo che mai come ora la Fisica stia languendo e si lecchi le ferite, Il Modello Standard e’ stato un grande risultato, ma sembra non si riesca ad andare oltre (e anche lo stesso Bosone di Higgs sembra avere caratteristiche diverse da quelle teoriche. Nonostante questo, tutta la comunità’ scientifica non vedeva l’ora di chiudere il caso, dando il Nobel a Higgs).
Ci vorrebbe un altro Einstein o un altro Bohr. Non credo che 26 dimensioni sia necessarie.
Ma magari mi sbaglio. Speriamo di essere vivi quando ci sara’ la prox rivoluzione scientifica.
concordo cmq che la GR sia fantastica e sono felice che mi dara’ da studiare per tutta la vita.
Ciao a presto e grazie
Spiego meglio solo questo:
“…non fa predizioni certe (come la LQG) ”
Intendevo: anche la LQG non e’ in grado di fare predizioni, proprio come le stringhe.
Si, concordo con tutto ciò che hai detto. Tu mi hai chiesto se credevo più all’una o all’altra, ed io ti ho risposto dicendoti che tendo di più verso la teoria delle stringhe per alcuni motivi. Si 26 o 10 dimensioni non è che cambia molto sono sempre più di 4. Credere è difficile per un Fisico come me, posso solo tendere verso un tipo di teoria. Ma entrambe sono solo teorie senza che abbiano mai dimostrato nulla sia teoricamente che soprattutto sperimentalmente (questo poi è un caso tutto da discutere). Mentre la teoria del nostro Einstein è del tipo “Esatta”, basata su una manciata di principi, verificata sperimentalmente e meglio di così non potevamo avere. Studia fortemente questa teoria poi ad un certo punto devierai a seconda del momento e a seconda di ciò che il tuo senso di Fisico deciderà di fare. Se poi basi tutto sulla logica ancora meglio ma attenzione a non fossilizzarsi su concetti come ad esempio il tempo… Magari esso non esiste veramente! Quindi sempre con i piedi per terra e non facciamoci distrarre dal fascino che potrebbero sfornare concetti come la stringa, il gravitone o anche la matematica che sta sotto una teoria. Per non sbagliare bisogna sempre affiancare la sperimentazione; sai bene che vanno a braccetto. Se poi si decide di rimanere al fianco della RG allora niente di meglio, ora non possiamo fare altro che migliorarla!
Mi piace molto il tuo approccio Alessandro, e lo condivido in pieno. Hai detto bene “un fisico non crede”. Il nostro Eistein avrebbe anche aggiunto: “un fisico misura” :-).
Mi affascina questa cosa del tempo e l’ho studiata un po’ sui testi di Rovelli, in particolare di come questa idea sia tratta dall’equazione di Wheeler-DeWitt, in cui l’universo guarda se stesso nascere (espressione tanto cara a Wheeler, un altro mio eroe).
Come ho detto poco fa su un altro post (ce ne uno bello sui viaggi nel tempo, e’ appena pubblicato, partecipi, vista la tua esperienza?), Einstein mise il tempo e lo spazio allo stesso livello (anche se la loro segnatura nella metrica e’ Lorenziana, quindi diversa), magari la nuova rivoluzione partira’ dalla scomparsa del tempo. Difficile da digerire. Come descritto da Rovelli, il tempo e’ l’unica grandezza che non si puo’ misurare direttamente, ma come conseguenza di qualcos’altro che i muove (lancette, meccanismi, vibrazioni delle onde…). Il tempo e’ un contare le variazioni di qualcos’altro, ma non puo’ essere misurato come avviene per altre grandezze. Questa considerazione mi ha fatto pensare molto.
Il tempo non è semplice, noi lo chiamiamo così, lo pensiamo così, lo definiamo con Newton o con Einstein dall’assoluto al relativo. Ma non si sa bene cosa sia in realtà. Io lo vedo come una grandezza fisica ancora da definire. Il tempo scomparirà? potrebbe darsi, ma forse sarà modificato, completato e quindi intuito in maniera diversa rispetto ad ora. Potrebbe anche non essere più un tempo. Del resto in alcune zone interne al buco nero rotante vedrai che lo spazio e il tempo si scambiano. Questo è altrettanto affascinante. Appena ho tempo leggerò l’articolo da te citato.
non e’ un articolo e’ il saggio “Buchi neri e salti temporali” di Kip Thorne.
Sul centro del buco nero hai ragione. Guardando un diagramma di Penrose (che sfrutta le trasformazioni conformi) di un Black Hole, si vede chiaramente che il centro del buco nero non e’ un “dove”, bensì’ e’ un “quando” (si vedano anche le lezioni di Susskind su YouTube di GR, spiegano molto bene questo). Per noi e’ difficile da spiegare e da capire, ma dalla GR si vede chiaramente, il tempo e’ lo spazio si scambiano in presenza di forti curvature.
A scusa, non avevo inteso sull’articolo. Lo trovi facilmente e’ l’ultimo appena postato da Maurizio. Ciao grazie.
Di nulla Grazie a te.
ho visto che hai citato la soluzione di Kerr per i buchi rotanti. E’ incredibile come ci siano voluti 50 anni per trovarla, dopo quella del 1916 per un oggetto a simmetria sferica.
ho un buon background fisico-matematico (ho studiato ingegneria nucleare), ma la soluzione di Kerr e’ ancora un po’ avanzata per me. Attualmente sto studiando il buchi direttamente sul libro Exploring Black holes, di Wheeler & Taylor. Fra l’altro, sta per uscire la seconda edizione dopo anni di attesa. Ho scritto qualche mese a Taylor per chiederne le soluzioni e mai piu’ avrei pensato che, ormai ultranovantenne, mi avrebbe risposto. Ebbene me le ha mandate a sue spese (chiedendomi di non divulgarle).
Un grande, uno degli ultimi della “vecchia guardia” del periodo d’oro della GR negli anni 70. Il libro SpaceTime Phisics, e’ sicuramente una pietra miliare su cui ho trascorso molti mal di testa a fare gli esercizi. E’ il Gravitation anche id piu’.
Buona continuazione alla prossima.
E si, bisogna sudare parecchio sui libri, per ore ore ed ore. Comunque ottima strada, continua in questo senso. Fosse mai che qualcuno di sua iniziativa possa trovare una nuova teoria o completarne qualcuna. Su molti di questi libri mi ci sono fatto le ossa, ma non è sufficiente, ad un certo punto siamo costretti a lavorare con le formule partendo anche da nuovi principi. Attualmente sto studiando molto per cercare nuovi spunti per nuove teorie, ma per ora sto in un vicolo cieco. Non è semplice ma è veramente molto molto affascinante e istruttivo per il nostro cervello ancora in fase di evoluzione. A presto e Buono studio.
Nel mio lavoro quotidiano (faccio lo sviluppatore matematico per percorsi utensile NC) usiamo dire: “Simple is Nice”, una specie di versione inglese del rasoio di Occam.
Io credo che la Fisica debba tornare alla semplicità’…tu piu’ di altri puoi apprezzare la “semplicità'” degli assunto con Einstein sia partito per estendere la SR alla GR (ascensore, etc etc). La parte matematica, essenziale ovviamente, e’ venuta solo dopo. Lo stesso Minkowsky ci ha messo un tot prima di formulare un canvas in cui ambientare la SR di Einstein (e lo stesso non se lo filava all’inizio).
Io credo che il futuro debba essere semplice…puntare sulla simmetria che e’ ovunque. E’ per questo che sto studiando il gruppo semplice di simmetria chiamato “Mostro”. Perche’ sembra realmente essere una possibile connessione fra la Fisica e la Matematica piu’ astratta. Sembra che appunto abbia interconnessioni profonde (appunto quella che e’ definita “Monstruous Moonshine) con la Fisica del futuro. E per arrivare li’ si passa dalla CFT. Ultimamente, citata sul libro di Penrose, c’e’ appunto una versione “nuova” della teorie delle stringhe da che si sviluppa intorno ai Twistor di Penrose…e non teorizzata dall’ultimo dei novellini, ma da sua maestà’ Witten in persona.
Chissa’…io intanto mi sto studiando bene, per capire questa parte, tutta la parte di algebre di Clifford (spinoriali), per poi arrivare ai Twistor. Sono contento di avere ancora cosi’ tanto da imparare (la famosa coppa vuota Zen). Mi spiace solo che non mi basterà una vita per imparare (e sviluppare, eventualmente) tutto quello che vorrei.