TEORIA DELLA RELATIVITÀ/ Cent’anni di equazioni per spiegare buchi neri e lampi gamma

- int. Remo Ruffini

Oggi a Roma si tiene la 14esima edizione del Marcel Grossmann per fare il punto sugli sviluppi delle teorie gravitazionali e della relatività generale. Intervista al fisico REMO RUFFINI

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Albert Einstein (1879-1955) (Immagine dal web)

Ricevere il Premio Marcel Grossmann nel 2015 significa legare doppiamente la propria attività scientifica alla memoria di Albert Einstein. È quello che accadrà questa mattina nell’Aula Magna dell’Università La Sapienza a Roma, a quattro scienziati e ad una istituzione internazionale; l’istituzione è l’Agenzia Spaziale Europea (ESA), per i grandi contributi portati dalla sue missioni all’astrofisica e alla cosmologia; gli scienziati sono: il celebre cosmologo Martin Rees, per gli studi sui buchi neri e sulle onde gravitazionali; il giapponese Ken’ichi Nomoto, per le ricerche sui sistemi binari nelle fasi finali dell’evoluzione stellare; il russo Yakov Sinai, per le applicazione della matematica del caos alla cosmologia; e la giapponese Sachiko Tsuruta, per gli studi pionieristici sulle stele di neutroni.

Abbiamo parlato di doppio valore “einsteiniano”, perché il premio cade nell’anno che celebra i 100 anni dalla prima formulazione delle equazioni della relatività generale e perché è intitolato a Marcel Grossmann, grande amico di Einstein e suo collaboratore negli sviluppi matematici della rivoluzionaria teoria. Ed è stato proprio pensando a questa amicizia e a questa collaborazione che nel 1975 il premio Nobel Abdus Salam e il fisico italiano Remo Ruffini hanno dato vita ai Marcel Grossmann Meetings, che ogni tre anni radunano la comunità scientifica mondiale per fare il punto sugli sviluppi delle teorie gravitazionali e della relatività generale, con particolare attenzione ai fondamenti matematici e alle previsioni fisiche.

Questa 14esima edizione del Marcel Grossmann, che inizia oggi a Roma, si tiene in un anno speciale per la fisica, come ha detto a IlSussidiario.net lo stesso Ruffini, docente di fisica teorica presso “La Sapienza”, presidente dell’International Centre for Relativistic Astrophysics (ICRA) e chairman del convegno: «Il 2015 è stato indicato dall’Onu come Anno della Luce, è il centenario dell’anno in cui Albert Einstein formulava le equazioni della relatività generale ed è anche il cinquantesimo anniversario della nascita della astrofisica relativistica. Le equazioni della relatività generale sono senza dubbio il risultato della brillante intuizione fisica di Einstein fondata dal punto di vista matematico sul lavoro dei matematici italiani Gregorio Ricci Curbastro, dell’Università di Padova, e Tullio Levi Civita, dell’Università di Roma “La Sapienza”. Una simile combinazione, così unica nella storia della fisica e della matematica, ha prodotto quella che è probabilmente la più alta espressione del pensiero dell’Homo Sapiens. Un ruolo essenziale per questo risultato ha avuto l’intervento di Grossmann, dell’Università di Zurigo, molto vicino a Einstein e che aveva una conoscenza approfondita della scuola di geometria italiana».

Con Ruffini ripercorriamo alcuni momenti della storia di questi cento anni di relatività. «Nei primi 50 anni la teoria ha avuto un avvio particolarmente difficile. Da un lato presentava difficoltà matematiche mai incontrate prima: bisognava trattare con un sistema di dieci equazioni differenziali alle derivate parziali in quattro variabili, che erano praticamente insolubili tranne che in casi particolarmente semplici e estremamente idealizzati. Dal punto di vista delle osservazioni sperimentali, i fenomeni interni al nostro Sistema Solare dove si potevano rilevare effetti relativistici consistevano in perturbazioni così piccole che era difficile giustificare gli sforzi per la loro ricerca». Ruffini ricorda i ben noti effetti della precessione del perielio di Mercurio, la deflessione della luce nel passaggio vicino al Sole durante l’eclissi – osservata per la prima volta in Brasile nel maggio 1919 – e infine il red shift gravitazionale, cioè lo spostamento verso il rosso delle linee dello spettro elettromagnetico.

«Nei primi 50 anni in effetti la relatività generale attirò l’attenzione solo di un piccolo numero di matematici, interessati agli aspetti tecnici delle equazioni di campo, ma occupò molto meno i fisici e gli astronomi; solo uno sparuto gruppo di fisici teorici si lasciò affascinare soprattutto dalla sua profondità concettuale e dalla sua eleganza formale: tra questi voglio ricordare Enrico Fermi, Lev Davidovic Landau, Evgenii Mikhailovich Lifshitz e Wolfgang Pauli».

I primi segni premonitori di una nuova fase erano comunque emersi dalla fine degli anni 20, grazie anche alla disponibilità dei grandi telescopi. Ruffini cita le osservazioni di Hubble e le evidenze dell’espansione dell’universo, spiegata poi con la soluzione delle equazioni di Einstein da parte di Alexander Friedman; e poi l’osservazione della Nebulosa del Granchio, residuo dell’esplosione di una supernova nel 1054, osservata a suo tempo dagli astronomi cinesi, coreani e giapponesi. In questo contesto fanno il loro ingresso nuove idee e nuovi protagonisti della scena cosmica, come le nane bianche, le stelle di neutroni e le pulsar.

Infine i buchi neri, alla cui scoperta Ruffini ha contribuito direttamente quando, giovane scienziato lavorava col grande John Archibald Wheeler a Princeton: «Lavoravamo con un gruppo di studenti entusiasti ed eravamo in contatto con i dati che arrivavano dalle missioni della Nasa. In particolare, il lancio del satellite Uhuru aveva permesso a Riccardo Giacconi e al suo gruppo di identificare un gran numero di sistemi binari costituiti da una stella di neutroni e una stella di decine di masse solari. La situazione era pronta per il passo più difficile: la prima identificazione di un buco nero nella nostra galassia». Per la scoperta di Cyg-X1 nella costellazione del Cigno Giacconi vincerà poi il premio Nobel nel 2002 e per l’identificazione di quella sorgente come buco nero Ruffini riceverà nel 1973 il Cressy Morrison Award della Academy of Sciences di New York.

Dopo i buchi neri, «un altro grande pilastro dell’astrofisica relativistica» sono i lampi gamma (Gamma-Ray Bursts, GRB), le gigantesche esplosioni osservate e misurate nel 1997 dal satellite italo-olandese Beppo Sax, che mostrano un range di energia dell’ordine di 10 alla 54 erg, come era stato predetto da Ruffini e Thibault Damour poco dopo la loro scoperta 24 anni prima.

Siamo quindi all’ultima fase di questo secolo di relatività generale: dove un ruolo di primo piano è svolto da ICRA, fondato nel 1985 da Ruffini, Giacconi, Salam, Paul Boynton, Francis Everitt, Fang Li-Zhi e l’allora direttore della Specola Vaticana George Coyne; e successivamente da ICRANet, avviata nel 2005 per supportare tutte le aree di ricerca connesse con la relatività. Che sono poi quelle di cui si discuterà in questa settimana a Roma, in particolare: oggi matematica e relatività; domani gli aspetti quantistici della gravità; mercoledì i test di precisione della relatività generale; giovedì l’astrofisica relativistica; venerdì cosmologia e astro particelle; sabato storia della fisica e nuove frontiere.

E non mancheranno le stelle di prima grandezza del firmamento relativistico: a cominciare dai premi Nobel Gerard ‘t Hooft e Samuel C. C. Ting e da Stephen Hawking, del quale è previsto l’intervento in teleconferenza questa sera alle 19.45 sul tema: “Fire in the Equations”.

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