Universali ma imperfette: il caso della teoria della gravitazione

Ci sono teorie scientifiche che, pur essendo valide quasi sempre e ovunque, in qualche circostanza si mostrano inadueguate, richiedondo un’ulteriore generalizzazione. Tutti ricordiamo l’immagine di Isaac Newton disteso sull’erba che osserva cadere una mela. Con Valerio Rossi Albertini dell’Istituto di struttura della materia (Ism) del Cnr vediamo, attraverso il passaggio storico tra due concezioni di Universo, come alcune leggi fisiche non siano assolute quanto piuttosto straordinarie approssimazioni.
“L'episodio leggendario con cui Newton è passato alla storia racconta un’intuizione fondamentale: Newton osserva cadere una mela e si domanda se le mele si comportino in modo particolare o se tutti i gravi vengano attirati a terra nello stesso modo. Anzi di più, se anche la Luna nella sua orbita si comporti in fondo allo stesso modo. Fa i suoi calcoli e conclude che sì, tenendo conto del rapporto tra le masse della mela e della Luna e della distanza dell'una e dell'altra dal centro della Terra, sono soggette alla medesima forza. L'appetito vien mangiando e Newton si fa ingolosire: consulta gli studi degli astronomi Keplero, Ticho Brahe e altri ancora e comprende che anche i pianeti sono attratti dal Sole in modo analogo. E allora enuncia la più famosa formula della fisica (primato conteso solo da E=mc2), traducibile in: ciascun corpo attira ogni altro corpo con una forza proporzionale alle reciproche masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza”.
La nuova teoria è messa alla prova nei decenni seguenti e si dimostra così solida da diventare il fondamento indiscusso della descrizione del cosmo per oltre un secolo. Le orbite planetarie vengono studiate con una precisione sempre maggiore e, nella stragrande maggioranza dei casi, tutto torna perfettamente. A tal punto che, quando qualcosa non coincide, si è certi che il problema non sia la teoria, ma l’osservazione. “È in questo clima che, nel 1846, il matematico francese Urbain Le Verrier applica la teoria di Newton per spiegare le anomalie che da anni gli astronomi osservano nell’orbita di Urano”, continua il ricercatore. “Le Verrier deduce che quelle perturbazioni possano essere causate dall’esistenza di un nuovo pianeta, mai osservato prima. Indica perfino agli astronomi dove guardare. Puntati i telescopi, il pianeta viene trovato: è Nettuno. Un successo che rafforza la convinzione che la teoria di gravitazione universale sia perfetta e non abbia bisogno di alcuna riparazione. Tuttavia, un'altra anomalia viene presto riscontrata, stavolta nell'orbita di Mercurio. Le Verrier sa di cosa si tratta perché ci è già passato: deve essere Vulcano, un pianetino talmente piccolo e vicino al Sole da essere sfuggito alle osservazioni. Ma deve essere lì nascosto tra i lampi della superficie solare. Cerca Vulcano, ma Vulcano non si trova. Il motivo, dice Le Verrier, è che occorrerebbero strumenti più sofisticati. Qualcuno ipotizza che l'anomalia dell'orbita possa essere dovuta a irregolarità nella forma del Sole. Forse ha delle protuberanze che non vediamo o forse è fatto un po' a pera. Insomma, tutti sono convinti che ci sia qualcosa nascosto lassù, ma certamente nessuno osa mettere in discussione la legge di Newton. Aspettiamo, continuiamo a spiare Mercurio e l'intruso prima o poi uscirà fuori.
E così, non stancandosi di spiare i fatti di Mercurio, si arriva alla fine dell'ottocento, quando un nuovo titano della fisica si staglia all'orizzonte”.

Albert Einstein riesamina un dubbio che aveva angustiato lo stesso Newton: la legge funziona, ma come fanno i pianeti a sapere che laggiù c'è il Sole che li attira? Chi dice alla Luna che sotto si trova la Terra? Per qualunque comunicazione serve un messaggero. E dunque qual è il messaggero che comunica alla Luna la presenza della Terra? “Einstein aveva già sviluppato la Teoria della relatività speciale, in cui i fenomeni si svolgono in un ambiente fisico a quattro dimensioni, lo spazio-tempo. E se, ragiona Einstein, fosse la trama dello stesso spazio-tempo a mettere in comunicazione oggetti distanti, come fili invisibili che legano corpi lontani? Deforma questo tessuto con la presenza di una grande massa da qualche parte e tutti i corpi più piccoli sentiranno che lì si è formata una buca e tenderanno a cascarci dentro”, aggiunge Rossi Albertini.
Con Einstein, la gravità non è più vista come una forza nel senso tradizionale, ma il risultato della curvatura dello spazio-tempo. Ecco spiegate le piccole anomalie del moto di Mercurio, abbastanza vicino al Sole da sentire la distorsione dello spazio-tempo, senza bisogno di scomodare pianeti invisibili. “La nuova teoria illumina le zone rimaste buie della teoria gravitazionale, ma sarebbe errato interpretare la revisione di Einstein alla teoria di Newton come una falsificazione. È invece l'integrazione necessaria a una visione già universale e quasi perfetta. La teoria newtoniana resta infatti valida in quasi tutte le situazioni quotidiane e astronomiche. Le mele continuano a cadere secondo la legge di Newton, che permette altresì di fare calcoli impeccabili per tutte le missioni spaziali. È in condizioni di massa estreme - stelle di neutroni, nane bianche, buchi neri - che Einstein diventa indispensabile”, precisa l’esperto, che conclude: “Questa storia fa emergere il senso profondo del ‘riparare in fisica’. Le teorie scientifiche non sono dogmi, ma strumenti, hanno un loro campo di validità e dei limiti. Quando quei limiti diventano evidenti, non si distrugge ciò che già funziona si costruisce qualcosa di più ampio, capace di contenere il vecchio e di andare oltre. Mostra che l’imperfezione non è un difetto della scienza, ma il suo motore. Newton è quasi universale. Einstein lo è di più. E chissà che un giorno, con l’avanzare delle conoscenze sull’Universo, anche la relatività generale non dovrà essere riparata. Già oggi i buchi neri le danno parecchio filo da torcere. È così che la conoscenza continua ad avanzare”.

Fonte: Valerio Rossi Albertini, Istituto di struttura della materia, valerio.rossi@ism.cnr.it