Cosa sono le onde gravitazionali

La grande onda (non gravitazionale)
di Kanagawa di Katsushita Hokusai.

Con il lancio di LISA-pathfinder la ricerca di onde gravitazionali muove i primi passi nello spazio.

Le onde gravitazionali sono l’ultimo  baluardo della forza di gravità, che resiste ancora ad ogni tentativo di rivelazione (qui il podcast sulle onde gravitazionali in cui Giuliana intervista il prof. Calloni dell’Università di Napoli)

Fu Newton a intuire per primo le caratteristiche della forza di gravità. Il filosofo del XVII secolo si rese conto che la forza che vincola la luna a orbitare attorno alla terra è la stessa che ci tiene ancorati al nostro pianeta. Tutti i corpi dotati di massa si attraggono tra loro, ipotizzò Newton, ma la forza di gravità è così debole che nell’esperienza quotidiana possiamo percepire solo l’attrazione terrestre.

La legge di gravitazione universale formulata da Newton nel 1687 è più che sufficiente a descrivere il moto dei pianeti nel sistema solare e rese possibile la scoperta del pianeta Nettuno – circa due secoli dopo (1846) – proprio a partire dalle perturbazioni causate da questo corpo celeste nell’orbita di Urano. Non è mai riuscita, però, a chiarire le anomalie dell’orbita di Mercurio, che è troppo vicino al Sole affinché la trattazione classica della gravità sia sufficiente a darne una spiegazione esauriente. (#stacce1)

Scuola Guida Relativistica: come appare il cielo alla velocità della luce?

Lo spazio come appare a velocità prossime a quella della luce
(da Gunbuster)

Abbiamo appena acquistato un’astronave nuova di zecca, nuovo modello, teoricamente in grado di sfiorare  la velocità della luce.  Usciti dal concessionario,  ci lasciamo la Terra alle spalle ed acceleriamo,  incuranti  dei consumi elevatissimi  dovuti al fatto che la nostra massa  aumenta sempre di più via via che la velocità cresce richiedendo una spinta sempre maggiore.  

Non abbiamo però letto il libretto delle istruzioni e quindi restiamo a bocca aperta osservando  fuori della cabina di pilotaggio. L’impressione è che le stelle si stiano allontanando da noi!  La loro luce si sta infatti concentrando in un alone indistinto verso la prua della nave. Il computer di bordo però ci rassicura:  È un fenomeno analogo a quello osservato andando in moto sotto la pioggia, dove le gocce d’acqua sembrano provenire solo da davanti.  Questo fenomeno è descritto quantitativamente dalle trasformazioni  di Lorentz, ma in sostanza la nostra velocità è tale che la luce delle stelle non riesce ‘a raggiungerci’ dai lati e sembra quindi provenire solo da  davanti.

Il campo stellare da fermi...

...all'85% della v luce..

Oltre all’aberrazione geometrica, le stelle cambiano colore: Infatti la lunghezza d’onda emessa dagli astri ci appare accorciata e dunque tende a spostare la luce verso il blu. (Questo fenomeno – l’effetto Doppler -   è lo stesso, ma opposto a quello dello spostamento verso il rosso osservato dall’allontanamento delle galassie a seguito del Big Bang).  Le stelle tendono a quindi formare una specie di arcobaleno circolare intorno alla prua della nave. 

Al 98.4% di vluce...

Al 99.8% di vluce

Siamo quasi alla  velocità della luce (per raggiungerla dovremmo avere massa nulla, ma l’aspetto dello spazio non cambierebbe): le stelle si sono concentrate in un punto luminoso centrale, circondato da un alone colorato dovuto appunto all’effetto Doppler relativistico. Con questo bolide  raggiungere Giove in circa mezz’ora Plutone in poche ore, ma il campo di stelle rimane comunque immutato. A  questa velocità ci vorrà meno tempo a raggiungere le stelle per via della contrazione delle lunghezze. Lo spazio appare infatti contratto agli astronauti che si muovono a velocità relativistica.

Effetto Doppler relativitistico. La nostra astronave è il
puntino blu che si muove con velocità sempre maggiore
verso destra. Di fronte a noi si osserva uno spstamento
verso il blu della luce delle stelle. (da wikipeedia)

L’effetto  in cui le stelle sembrano passare ai lati dell’Enterprise come lampioni di un’autostrada galattica è quindi incorretto, perché implicherebbe una velocità di  varie decine di anni luce al secondo  (ma già attribuito a qualche effetto apparente dovuto alla velocità warp), e comunque dopo le recenti devastazioni di JJ Abrams è il problema minore di Star Trek. 

Corso di Relatività e trasformazioni di Lorentz in Gunbuster

Chi però  tiene conto correttamente degli effetti relativistici è l’ineffabile Hideaki Anno. 


In Gunbuster (1988),  serie già citata in un precedente articolo sui buchi neri, descrive correttamente l’effetto di aberrazione relativistica, con tutte le stelle concentrate in un punto e circondate dall’anello multicolore di Einstein. Per non farsi mancare niente, il regista  di Evangelion, ha aggiunto una serie di micro corsi scientifici  alla fine di ogni episodio in cui le protagoniste del cartone discutono la fisica relativa, con tanto di trasformazioni di Lorentz.    

In assenza di una astronave possiamo provare i brividi della guida relativistica con Star Strider,  un planetario shareware, da cui abbiamo tratto queste immagini.

Big Bang e Papa Francesco

Il Big-Bang, che oggi si pone all’origine del mondo, non contraddice l’intervento creatore divino ma lo esige. L’evoluzione nella natura non contrasta con la nozione di Creazione, perché l’evoluzione presuppone la creazione degli esseri che si evolvono.

Dal discorso di Papa Francesco presso la Pontificia Accademia delle scienze (qui il testo completo)

Vista la quantità di sciocchezze scritte a sia favore che contro questo intervento vale la pena di ricordare alcuni fatti. 

• Il Papa non parla mai  di Creazionismo (--> no dinosauri, 4000 anni di età di universo, no evoluzione degli animali) come titolano molti articoli online (ad esempio repubblica  e persino wired, che così rovina l'ottimo articolo di Amedeo Balbi).

• Il concetto di Big Bang fa parte del magistero della Chiesa dagli anni '50: un primo discorso di Pio XII del 1951 cita come prova dell'età dell'universo: 1) Il distanziamento delle nebulose spirali o galassie. 2) L’età della crosta solida della terra, 3) L’età dei meteoriti. 4) La stabilità dei sistemi di stelle doppie e degli ammassi di stelle. In questo testo il Big Bang veniva portato quasi a prova della Creazione divina, cosa che sia Lemaître (il primo a formulare questa ipotesi) che molti teologi ritenevano una forzatura. Infatti nel discorso di Pio XII del 1952 la cosa fu  fortemente sfumata. Il Big Bang è ormai un fatto talmente assodato (e dato per scontato nel breve discorso del papa) che nessuno si sognerebbe di mettere in discussione, a parte appunto i  creazionisti.

• L'idea di una singolarità iniziale all'inizio di tutto si deve ad  un giovane cosmologo e prete gesuita, Lemaître. A partire dagli anni '20 mostrò che solo  un universo in espansione a partire da un punto o singolarità iniziale soddisfaceva le equazioni di Einstein (qui una breve spiegazione). Quest’ultimo – di origini ebraiche ma dichiaratamente ateo – aborriva quello che ai suoi occhi appariva come un tentativo di ritrovare la Creazione biblica nella cosmologia. Di uguale opinione erano altri valenti cosmologi tra cui Bondi ed Hoyle, che – in opposizione alla teoria dell’atomo primitivo di Lemaître proposero quella dell’universo stazionario, battezzando ironicamente 'Big Bang' la teoria di Lemaître. 

• Nessuno al momento sa cosa sia avvenuto nel momento della singolarità iniziale. Anzi, non si sa neanche cosa sia avvenuto nei primi10^-44 secondi (il cosiddetto tempo di Planck), o perché il nostro universo sia dominato dalla materia a discapito dell'antimateria e meno che mai come fare a mettere insieme relatività generale e meccanica quantistica. Tutte queste domande sono probabilmente correlate tra loro, ma in maniera ignota.

• Scienziati di tutto il mondo, siano essi non credenti, o di qualunque credo e religione,  indagano su questi problemi alla stessa maniera: con la matematica dal punto di vista teorico e costruendo apparati sperimentali per raccogliere dati e verificare le ipotesi. 

• Il resto è solo rumore di fondo che oltrettutto alimenta un generale sentimento antiscientifico  che sta facendo molti danni anche in Europa (ed ha distrutto il già traballante sistema scolastico USA). Forzare uno scontro tra scienza e fede sul terreno della fisica fondamentale e della cosmologia (quando il dibattito è già abbastanza acceso su temi di bioetica) è un anacronismo che ci riporta - neanche a volerlo fare apposta -   ai tempi di Galileo.

Fumetti cosmici tra Big Bang, Teologia e creazionismo

Nel  ventesimo secolo  due rivoluzioni scientifiche  hanno cambiato per sempre non solo la nostra conoscenza della natura, ma anche il modo con cui possiamo interagire con esso tramite macchine e strumenti: se da un lato la teoria della Relatività  Einstein ha spalancato la porta verso una  comprensione più profonda dell'universo giungendo fin quasi ai suoi primi istanti di vita, dall'altro la Meccanica quantistica ha  consentito di comprendere ed intervenire nel mondo microscopico nonostante le sue apparentemente bizzarre regole.

Einstein ed Hubble nel fumetto Cosmicomic, di Balbi e Piccioni (qui un'anteprima)

Cosmicomic, un fumetto scritto da   Amedeo Balbi  e disegnato da Rossano Piccioni ripercorre le tappe essenziali del difficile e tortuoso processo investigativo che ci ha  consentito di comprendere la natura del cosmo e delle sue origini.  Al di là di una esposizione chiara e scorrevole, unita ad un  tratto pulito ed essenzale, uno dei pregi del fumetto è che coglie l'aspetto umano di Einstein, Hubble e gli altri protagonisti, rimarcando come anche la scienza sia  un processo umanistico e i personaggi siano  degli investigatori dell'ignoto, ciascuno con un proprio intuito, opinioni e sensazioni piuttosto che  freddi automi come si è spesso portati a pensare.

La scoperta del Big Bang è  un esempio da manuale dell'importanza del ruolo rivestito  nella ricerca scientifica dal giudizio  personale e dai valori filosofici e/o religiosi degli scienziati. Non stiamo ovviamente parlando  del relativismo 2.0 di facebook o dei recenti folli casi di pseudomedicina, ma del fatto che le indagini scientifiche siano spesso coadiuvate  da intuito e sensazioni non suffragate immediatamente dai dati.

(continua a leggere su scientificast)

Buchi neri tra scienza e fantascienza: il campo di battaglia tra Relatività e Meccanica Quantistica

Un buco nero, dal manga 2001 nights.

I buchi neri hanno sempre esercitato un notevole fascino per le loro estreme caratteristiche fisiche ed astronomiche.  Questo oggetto – talmente denso che neanche la luce  può fuoriuscirne –   fu per la prima volta postulato nel 1931 dall’ indiano  Subrahmanyan Chandrasekhar  utilizzando le equazioni della Relatività Generale di Einstein.

Qualunque cosa la cui massa è concentrata al di sotto di un certo raggio dà origine ad  un buco nero. Questo raggio – detto anche raggio di  Schwarzschild  o orizzonte degli eventi  dipende dalla massa, ma le dimensioni sono estremamente piccole : nel caso del Sole (che ha 700,000 km di raggio) questo  è poco meno di tre chilometri.

La teoria del geniale astrofisico indiano prevedeva la formazione di un buco nero  (BN) con la morte di una stella.  Quando le reazioni nucleari di un astro terminano perché esso  ha bruciato tutto il suo combustibile, tutto il suo materiale cade verso il centro. Il fato delle stella dipende dalla sua massa: il nostro sole diverrà una nana bianca, stelle sopra il 40% della sua massa delle stelle di neutroni, e sopra tre masse solari forma  un buco nero.   Una volta dentro l’orizzonte degli eventi  non vi è più alcuna speranza di uscirne: tutto viene compresso  sino alla singolarità centrale, infinitamente piccola e  probabilmente puntiforme, con tutti i problemi matematici e fisici che ciò comporta.

continua su scientificast

Einstein, Galileo e le cospirazioni dei neutrini superluminari.

L'esperimento SuperKamiokande in Giappone. Le sfere di
vetro sono enormi fotomoltiplicatori per rivelare la luce
prodotta dalle interazioni dei neutrini con l'acqua
che riempie la cavità. 

A quanto pare i  neutrini non viaggiano più veloci della luce. Qui la dichiarazione ufficiale del CERN già anticipata   Nature   ed altri, secondo sono state identificate due concause che hanno cospirato per simulare l'apparente arrivo dei neutrini 60ns (60 miliardesimi di secondo) prima di quanto previsto dalla teoria della Relatività. 

Allora Einstein aveva ragione? 

Einstein sarebbe stato il primo a gioire dei neutrini superluminari e la formulazione una teoria più generale e ampia di quelle da lui formulate. Le modalità del progresso scientifico e l'investigazione della Natura proseguono infatti  in maniera diversa da come titolano i giornali. Una teoria scientifica può essere falsa o palesemente errata (la terra non è piatta). Non esistono però teorie vere sempre: sono di solito valide in un dato contesto. La teoria della Relatività speciale di Einstein (secondo cui nulla può viaggiare più veloce della luce) generalizza ed amplia quella di Galileo. Quest'ultima era ed è applicabile per basse velocità, ossia praticamente sempre ai fini pratici e difatti si usa per la maggior parte delle attività (difficile  pensare che i frecciarossa nostrani abbiano bisogno della teoria della Relatività speciale). 

Scopo della fisica è di scoprire (sperimentalmente) o formulare (teoricamente) teorie valide in contesti sempre più ampi. Se ci si riesce,  oltre ad  una comprensione più ampia e dettagliata dei meccanismi di funzionamento del nostro universo, si ha come "bonus" una serie di applicazioni tecnologiche come ad esempio il GPS, figlio delle due teorie della relatività. Se il neutrino fosse (o fosse stato) più veloce della luce sarebbe stato necessario sviluppare una teoria che tenga conto anche di questo fenomeno e avremmo potuto assistere ad una nuova rivoluzione della fisica.

Ma allora tutto il clamore era dovuto "solo" ad un cavo? 

Alzi la mano chi non ha mai avuto problemi con l'antenna. Se l'errore sarà realmente tracciabile ad una connessione o ad un cavo mal collegato va ricordato che questo è uno dei milioni di fili che collegano rivelatori, magneti, strumenti, computer in una ragnatela di enorme complessità.  La misura sperimentale ed i dati che essa produce richiedono un enorme lavoro di analisi e pulizia per evitare che questi  cospirino e si organizzino per fornire informazioni errate. L'analisi dei dati di esperimenti di questa complessità richiede una lunga  e certosina scrematura dell'informazione  che permetta di eliminare falsi dati ben più subdoli di qualunque virus del computer. Sono decenni se non secoli che le sirene dell'errore sistematico traggono in inganno generazioni di studenti e ricercatori con false scoperte.

Il fascio di neutrini generato a J-Parc (città di Tokai) (destra)
verso Superkamiokande, nella miniera di Kamioka (sinistra).
Il fascio di neutrini è stato recentemente ripristinato dopo
il terremoto dell'11 Marzo 2011

In ogni caso la conferma o smentita finale deve venire da altri esperimenti, come Minos  (che ha comunque visto un segnale simile) o T2K (da Tokaimura a  SuperKamiokande) e non è detto che queste nuove misure non ci riservino nuove sorprese. 

PS  in rete già circolano  teorie di un altro tipo di cospirazione, secondo cui i neutrini vadano effettivamente più veloci della luce e che questa scoperta sia stata messa a tacere per nascondere applicazioni industriali  e militari. In questa maniera si spiegherebbe il repentino ritrattare di tutti gli organi uffficiali del Cern e dell'INFN... ovviamente notizie di questo genere, per quanto divertenti, sono prive di ogni fondamento.