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Il cosmo dell’immensamente piccolo

 By Eniday Staff

Prendiamo due buchi neri grandi qualche centinaio di volte il nostro Sole e mettiamoli a girare l’uno verso l’altro, sempre più velocemente, fino alla loro fusione in un unico elemento. Oppure, immaginiamo due stelle di neutroni molto più piccole ma di grande densità energetica, che collidono l’una contro l’altra. Due eventi giganteschi, che libereranno immense quantità di energia, tanta da scatenare una sorta di tempesta gravitazionale, un sommovimento di enorme portata che non potrà non avere ripercussioni in tutto l’universo…

Sì, ma quali ripercussioni? E di che entità? Il problema è che noi, minuscoli umani che viviamo su un pianeta piccolissimo, se confrontato con le stelle che abitano l’universo, questi fenomeni non li cogliamo affatto, non ne siamo consapevoli. Sono cose che, per fortuna per la Terra e per noi che la popoliamo, accadono a distanze letteralmente siderali. Dunque impossibile misurare alcunché. A meno di non congegnare sofisticati meccanismi capaci di cogliere anche piccolissime deviazioni da un comportamento standard. Ed è quello che sono riusciti a fare un gruppo di ricercatori americani e italiani. I primi lavorano con un grande interferometro laser, LIGO, situato nello stato di Washington; i secondi con Virgo, omologo dell’apparato realizzato dal California Institute of Technology, anche se leggermente più piccolo, situato a Pisa, su iniziativa dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ed altri centri di ricerca europei.

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La struttura interna di Virgo

Quantistica e relatività

La scoperta è di peso: i due sistemi hanno rilevato nell’ultimo mese ben sette fenomeni riconducibili a potenziali onde gravitazionali, probabilmente generate da immensi fenomeni di modificazione dell’orizzonte cosmico. E, nel realizzare questo eccellente score, i due gruppi di ricerca sono anche riusciti a mettere d’accordo almeno per un giorno la teoria dei quanti e la relatività di Einstein. La fisica quantistica è perfetta per spiegare quello che accade su scala infinitesima: ci dice tutto, o quasi, sul comportamento delle particelle elementari e dei loro costituenti, ma comincia a non funzionare bene appena si sale la scala dimensionale fino alle molecole ed è inutilizzabile per spiegare come la luna gira intorno a noi e noi intorno al sole. Per i fenomeni su più grande scala, da quella umana a quella cosmica, serve la relatività generale di Albert Einstein. I tentativi di mettere d’accordo le due teorie, in vista di una loro nuova formulazione generale ed unitaria, si sono sempre risolti in uno scacco. E ciò, per la verità, è accaduto anche tra Hanford Site e Pisa. Ma con una variante densa di promesse: perché per poter misurare sulla Terra l’infinitesima variazione che i grandi eventi cosmici hanno prodotto e che ci appare come nuova onda gravitazionale, sono state utilizzate le tecniche del minuscolo, dell’infinitesimo. Insomma: come se per misurare la distanza della Terra dal Sole si fosse preso un righello.

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I due interferometri LIGO (sinistra) e Virgo (destra)

Questione di laser

Agli esordi di questa branca di ricerche astrofisiche, negli anni Ottanta e Novanta, il problema era che il margine d’errore di misura degli apparati era superiore alla infinitesima variazione gravitazionale che sulla Terra si ripercuoteva dall’enorme distanza che ci separa da buchi neri e stelle neutroniche. Risultato: non si riusciva affatto a rilevare vibrazioni nello spazio-tempo, niente nuove onde gravitazionali. Colpa dei fenomeni intrinsechi alla materia con la quale sono realizzati e con cui funzionano i sistemi di rilevamento. Ad esempio: in un fascio laser come quello utilizzato negli interferometri LIGO e Virgo, il numero dei “granelli di luce”, dei fotoni è variabile in maniera imprevedibile e aleatoria, e ciò sporca il risultato delle misure. Ed è qui che è stata fatta felicemente intervenire la meccanica quantistica. Il sistema di rilevamento di LIGO e di Virgo funziona come un funambolo sulla corda: ogni piccolissima variazione del campo gravitazionale comporta una piccolissima variazione nel comportamento dei due bracci perpendicolari di luce laser, lunghi ciascuno 4 chilometri a Hanford Site e 3 chilometri a Pisa. I fasci laser separati nei due bracci, vengono ricombinati; confrontando le distanze percorse dai fotoni in un braccio e nell’altro si riesce così a rilevare la presenza di un fenomeno di disturbo, di modificazione del campo, che è riconducibile ad una specifica onda gravitazionale che interagisce con i velocissimi fotoni della luce (ricordiamocelo, 300 mila chilometri al secondo, limite invalicabile in tutto lo spazio-tempo, salvo, naturalmente per gli eroi di Star Trek). Per disporre finalmente di dati “puliti”, i ricercatori hanno pensato di trasferire una parte del fascio laser indirizzandola verso un cristallo capace di creare due fasci identici, ma le cui fluttuazioni aleatorie sono opposte, così che si annullano l’una con l’altra. In pratica, hanno fatto ricorso a una procedura basata sulla meccanica quantistica, avvezza all’immensamente piccolo, per raccontare al mondo quello che accade sulla scala dell’immensamente grande.

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