Già migliaia e migliaia di anni fa, contemplando la volta celeste, i nostri antenati non poterono fare a meno di chiedersi che cosa muovesse nel cielo “il Sole e le altre stelle”.
Per loro la spiegazione doveva essere divina.
Certamente non immaginavano che l’origine ultima fosse lo stesso principio che ci spinge in ogni istante verso il basso, quel fenomeno cosi familiare che chiamiamo peso.
Da allora l’umanità ha fatto passi da gigante, eppure la gravità resta al centro delle grandi domande che ci poniamo sul cosmo.
Che cosa la genera? E perché è così diversa dalle altre forze della natura? Ne capiremo mai le leggi?
Da Albert Einstein a Steven Hawking, le menti più brillanti hanno cercato di rispondere a queste domande. Ma più avanza (e si complica) la nostra comprensione dell’universo, più la risposta sembra sfuggire.
1. UNA FORZA... DEBOLE
La cosa davvero sorprendente è che, tra tutte le forze della natura, la gravità è quella che ci è più familiare.
Tutti la sperimentiamo: stiamo attaccati al suolo, facciamo attenzione quando andiamo in montagna e quando scendiamo le scale.
Quella del peso è l’unicamisura effettuata da tutta l’umanità, perché chiunque è salito su una bilancia o è andato al mercato a comprare una certa quantità di frutta o di verdura.
Il nostro stesso organismo si è evoluto in presenza di gravità, tanto che andare nello spazio non è affatto salutare: gli astronauti a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (Iss) sperimentano un peggioramento delle loro condizioni fisiche, a partire da un indebolimento delle ossa e dei muscoli.
La gravità ci è familiare anche perché l’abbiamo studiata a scuola. Tutti conoscono la legge di Newton o ne hanno sentire parlare. Ricordiamo di che cosa si tratta: dal punto di vista classico, ogni forza nasce da una sorgente, e la sorgente della forza gravitazionale è la massa.
Qualunque oggetto che abbia una massa crea nello spazio circostante un campo che si presenta come forza attrattiva. Ma solo corpi di enorme massa come stelle e pianeti producono forze gravitazionali significative.
Tra tutte le forze della natura, infatti, la gravità è di gran lunga la più debole. Per generare una forza misurabile con la forza elettromagnetica, basta una quantità irrisoria di carica elettrica.
E ancora più intensa è la forza nucleare forte, che agisce però solo su minuscole distanze all'interno del nucleo atomico. Il fatto che la gravità sia così debole, stabilisce una gerarchia, una divisione dei ruoli.
Per cui le forze ordinarie, cioè elettromagnetica, forte e debole, dominano il comportamento della materia su piccola scala, la scala del mondo microscopico.
Al contrario, queste forze diventano trascurabili, ininfluenti, non significative, nel mondo delle grandi distanze, che invece è dominato dalla gravità; perché le grandi distanze contengono enormi masse, le stelle, le galassie e gli ammassi di galassie.
Questa "divisione dei ruoli" fa sì che la gravità sia l’unica forza del tutto irrilevante nelle miriadi di collisioni che si verificano negli acceleratori di particelle. Sappiamo che c’è ma la sua intensità è talmente irrisoria che possiamo trascurarla del tutto.
E infatti il “gravitone”, che trasmetterebbe la forza di gravità, tra tutte le particelle elementari previste finora con ragionevole certezza, è l’unica di cui non sia stata ancora trovata traccia.
2. L'EQUAZIONE PIÙ BELLA
All'estremo opposto, cioè nel mondo delle stelle e delle galassie, la gravità è al contrario protagonista.
Ed è anche la protagonista indiscussa della Relatività generale di Einstein (foto accanto).
Il punto più alto di questa teoria, il culmine del pensiero di Einstein, è infatti una complicata "equazione di campo", che i fisici considerano una delle più belle - se non la più bella - della fisica.
Questa formula, infatti, lega tra loro entità apparentemente molto diverse come massa, energia, spazio e tempo.
E, nel farlo, fornisce una descrizione dinamica e armoniosa dell’universo, per mezzo di una geometria “deformabile" che sostituisce la vecchia e rigida “armonia delle sfere".
L'equazione dice infatti che la materia e l'energia alterano lo spazio e il tempo, in un modo che rende possibile il movimento dei pianeti attorno alle stelle, o delle stelle all’interno delle galassie, e perfino l’evoluzione dell’intero universo a partire dal Big Bang.
La distorsione dello spazio-tempo indotta dalla gravità può portare a fenomeni controintuitivi, come quelli divenuti popolari con il film Interstellar (2014) di Christopher Nolan.
Per esempio, il fatto che su una stella densa il tempo rallenti rispetto a chi rimane fuori dal suo campo gravitazionale.
D'altra parte, il fenomeno è stato misurato anche sulla Terra: il tempo misurato da un orologio posto sul pavimento di un edificio, dove la gravità è un po' più intensa, scorre più lentamente rispetto a quello misurato sul soffitto o al piano superiore (la differenza è minima, ma osservabile).
Sull'orizzonte degli eventi di un buco nero, per chi guarda da fuori, il tempo si ferma del tutto.
3. ATTRATTIVA O REPULSIVA? ALLA RICERCA DELLA SUPERFORZA
Fin qui tutto bene. Negli ultimi decenni, però, una scoperta astronomica ha messo in dubbio molte certezze.
È stato infatti osservato che le galassie si allontanano tra loro con una velocità che aumenta nel tempo.
L’espansione dell'universo sta, cioè, accelerando. Ci si aspettava che decelerasse, perché la gravità è una forza attrattiva e quindi tutte le masse si attraggono tra loro. Invece avviene il contrario.
La spiegazione potrebbe essere una strana proprietà dello spazio-tempo, che non abbiamo ancora capito, oppure una specie di antigravità, cioè qualcosa che repelle (la cosiddetta "energia oscura"). Questo è uno dei misteri tuttora aperti.
Nonostante gli enormi progressi fatti da Einstein, dunque, la gravità resta misteriosa. Come andare oltre? A ben guardare, qualche indizio c’è. Nel nostro universo attuale, che è mediamente molto freddo e rarefatto, le 4 forze della natura sono ben distinte.
Se però immaginiamo di viaggiare all’indietro nel tempo, quando l’universo era molto più caldo e più denso di oggi, vedremmo una situazione ben diversa. All’aumentare della temperatura (e quindi dell'energia degli scontri tra particelle), la forza forte, la forza debole e la forza elettromagnetica tendono a unificarsi.
Al crescere dell’energia, infatti, la forza forte diventa più debole, mentre quella debole diventa più forte, per cui si pensa che le tre forze vadano a coincidere - si dice che "si unificano" - a una scala di energia che oggi possiamo anche ipotizzare, e per certi versi siamo in grado di misurare.
Pensiamo che questo possa avvenire anche per la gravità. In tal caso, nei primissimi istanti di vita dell’universo ci sarebbe stata un’unica superforza, che poi si è congelata via via che il cosmo si raffreddava, dividendosi nelle quattro forze fondamentali.
Sotto, il rivelatore Cms dell’Lhc al Cern di Ginevra, dove molti scienziati sperano di poter trovare, un giorno, indizi di una possibile unificazione delle forze.
4. GIGANTI NASCOSTI E RISCRIVERE IL BIG BANG
Anche se ci credono in molti, il problema è che i fisici teorici non riescono a ottenere questa unificazione, perché la forza di gravità è troppo debole.
Si calcola che aumenti con l’energia, ma non abbastanza. Per andare oltre, bisogna risolvere l’impasse. Come? Ci sono varie ipotesi.
Una prima ipotesi è che, in realtà, la gravità sia per sua natura intensa quanto le altre forze. Però la vediamo debole, perché siamo abituati a proiettarla nelle tre dimensioni spaziali alle quali siamo abituati.
Mentre invece, se si ipotizza che l’universo primordiale si sia sviluppato in più dimensioni spaziali, ecco che in questa realtà più ampia la gravità diventa una forza ragguardevole come le altre. Questa è l’ipotesi delle extra-dimensioni.
Cioè l’idea che nel nostro universo freddo ci siano solo tre dimensioni spaziali, ma nell'universo caldissimo iniziale tutto si sia sviluppato in dimensioni che ci sono totalmente sconosciute, perché si sono "richiuse".
Ma se in un acceleratore di particelle, oppure in qualche grande evento cosmico, si sviluppassero temperature simili a quelle del Big Bang, forse potremmo riaprire queste dimensioni.
Ce ne accorgeremmo perché verrebbero fuori particelle del tutto inattese, particelle molto massicce che indicherebbero il fatto che abbiamo aperto la breccia alle dimensioni nascoste. Sarebbe come scoprire dei dinosauri che escono da una vallata nascosta.
Un’altra ipotesi è che la gravità sia diversa da come la conosciamo su piccola scala. Se quindi si andasse a scandagliare con un acceleratore di particelle dimensioni molto più piccole di quelle viste finora, può darsi che si entri in una regione in cui la gravità diventa dominante.
In tal caso, negli scontri si produrrebbero micro buchi neri. Ce ne accorgeremmo perché questi micro buchi neri avrebbero una vita media cortissima, e produrrebbero sciami di particelle in tutte le direzioni: una specie di fuochi d’artificio.
Questa sarebbe una prova ancora più sconvolgente della scoperta delle extra dimensioni, e ci costringerebbe a cambiare l’idea che abbiamo dei primissimi istanti di vita dell’universo, a riscrivere il Big Bang.
Sotto, gravità “artificiale". Schema di una centrifuga, nel centro tedesco Dir a Colonia, per studiare gli effetti di una gravità "artificiale" sul corpo umano.
5. UNA LEGGE IN CONTINUA EVOLUZIONE
Il modo in cui vediamo la gravità è molto cambiato nel corso dei secoli, dando vita a vere rivoluzioni scientifiche. Quale sarà la prossima?
1. Aristotele (IV sec. a.c., foto a sinistra)
Per Aristotele, la gravità è la qualità dei corpi che si muovono naturalmente verso il basso (mentre i fenomeni celesti, considerati di natura diversa, sono regolati da altre leggi).
2. Isaac Newton (1600)
La legge della gravitazione universale di Newton unifica fenomeni terrestri e celesti con una precisa formulazione matematica.
La forza gravitazionale che due oggetti qualsiasi (pianeti, stelle o anche pietre e polvere) esercitano tra loro è proporzionale al prodotto delle loro masse e all’inverso del quadrato della distanza reciproca.
Questa legge ha avuto tanto successo nel descrivere il movimento di stelle e pianeti che ha dato origine a una visione meccanicistica dell'universo, visto come un grande orologio.
3. Albert Einstein (1900)
Per Newton, però, la gravità è una forza istantanea. E questo contraddice il principio secondo cui nulla può propagarsi a velocità superiore a quella della luce.
La soluzione è l'"equazione di campo di Einstein”, molto più complessa, che costituisce il cuore della Relatività generale.
La nuova formula dice che la curvatura dello spazio-tempo è determinata dalla distribuzione di massa e di energia nell'universo; e viceversa.
4. Chi sarà il prossimo?
Sappiamo che la Relatività non offre la risposta definitiva al mistero della gravità. Il problema è che le equazioni di Einstein - che descrivono meravigliosamente stelle e galassie - sono incompatibili con la meccanica quantistica che descrive il mondo microscopico.
Per questo da decenni si sta cercando una formulazione più generale, una "gravità quantistica" in grado di descrivere proprio quel che avviene nei buchi neri,/e che avvenne nel Big Bang, dove la Relatività fallisce.
Ci stanno lavorando, o ci hanno lavorato, le migliori menti del Pianeta, da Stephen Hawking a Roger Penrose, da Ed Witten (con la Teoria delle stringhe) a Carlo Rovelli (con la Loop Quantum Gravity). Chi sarà l'erede di Einstein?
