Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Inedite riflessioni sulle Onde Gravitazionali

Non  è stato  semplice  trovare qualcosa di non banale da pubblicare sulle onde gravitazionali, dopo che tutta la stampa mondiale se n’era occupata estesamente per giorni e giorni. Noi speriamo di esserci riusciti traducendo questo articolo di Paul Gilster, a  mio avviso uno dei più grandi divulgatori e commentatori scientifici del nostro tempo. Articolo che abbiamo intenzione di arricchire nei giorni successivi con alcune schede tecniche.

Einstein Gernsback astronomia LIGO VIRGO RALPH124C41+

Nella foto sono riprodotte le registrazioni dell’evento che ha generato le onde gravitazionali captate dal LIGO. Come si può vedere i primi due tracciati riportano il tracciato dello stesso evento percepito nei due impianti. La terza registrazione è la sovrapposizione delle prime due.

I letttori noteranno quanto frequentemente nell’articolo è citato Kip Thorne: lo è perché, come Gilster, lo stesso  Thorne è tra quelli che da una vita cercano una nuova scienza che possa condurre un giorno l’Uomo  alle stelle. Fisica “esotica” l’hanno chiamata quelli del 100YSS, il movimento interstellare la cui nascita è stata formalizzata nel 2011, nel corso di uno storico meeting. E un’altra delle idee cardine del movimento interstellare, che accomuna Thorne e Gilster, è il riconoscimento alla fantascienza di ricoprire un ruolo che va oltre quello usuale di mera  predizione di eventi futuri, ma che riguarda la creazione di nuove idee e scenari di carattere scientifico, tecnologico, sociale, filosofico.  Non a caso Thorne è stato il principale consulente scientifico del regista Christopher Nolan sul set di Interstellar, e il motto del blog di Gilster suona come “Immaginare e pianificare l’esplorazione interstellare“. Sarà la scoperta delle onde gravitazionali il primo mattone del nuovo edificio della Fisica “esotica”? Nessuno lo sa. Di certo la previsione, o meglio l’augurio, del 100YSS che aveva fissato tra cento anni la data ultima per ottenere un completo business-plan dellla prima nave interstellare, ora appare meno difficile da realizzare.(RF)

“Einstein sarebbe raggiante

Così ha detto France Córdova, direttrice della National Science Foundation, mentre dava inizio alla conferenza stampa sulla scoperta delle onde gravitazionali. E non potrei non essere d’accordo, dal momento che questa scoperta ci fornisce l’ennesima conferma dell’attendibilità della Relatività Generale. Kip Thorne del Caltech (California Institute of Technology ndr.), che ha parlato di fusione di buchi neri già nel lontano 1994 nel suo libro Buchi Neri e salti temporali. L’eredità di Einstein  ha detto nella stessa conferenza stampa che Einstein doveva essersi sentito frustrato dalla mancanza di tecnologie disponibili in grado di rilevare le onde gravitazionali ipotizzate nella sua teoria, una mancanza colmata dopo un secolo grazie al contributo di LIGO.

Thorne è convinto che se Einstein avesse avuto a disposizione gli strumenti giusti avrebbe fatto egli stesso la rilevazione. Ma naturalmente gli strumenti non c’erano! Comunque sia, quel pensiero ha prodotto una strana risonanza per molti decenni dalla comparsa della Relatività Generale (RG), fatto che mostra quanto essa abbia cambiato la natura della nostra visione dell’universo. Nel 1911, appena quattro anni prima che Einstein pubblicasse la RG, Hugo Gernsback iniziò a parlare di onde gravitazionali. Questi, futuro direttore della prima vera rivista di fantascienza Amazing Stories, pubblicò il suo romanzo Ralph 124C 41+ proprio nel 1911, in una rivista chiamata Modern Electrics.

Ecco come, nel periodo di poco antecedente la pubblicazione della Relatività Generale, Gernsback ha parlato delle onde gravitazionali, mentre l’eroe del romanzo, Ralph, rifletteva sul suo ultimo dispositivo:

Si sapeva che alcune correnti ad alta frequenza originerebbero un’interferenza con le onde gravitazionali, poiché nella prima parte di questo secolo era stato provato che la gravitazione era effettivamente una forma d’onda, come quelle luminose o radio. Quando questa interferenza tra i due tipi di onde, ovvero le gravitazionali e le elettriche, è stata scoperta, si è riscontrato che uno schermo metallico caricato da onde elettriche ad alta frequenza in effetti annullerebbe in una certa misura la gravitazione…

E così via. Gernsback fece del suo meglio (e forse perfino troppo), ma come avrebbero potuto i suoi poteri di previsione far fronte alle onde gravitazionali? Dopo tutto, la sua epoca era abituata a trattare i fenomeni elettromagnetici. La Relatività Generale avrebbe presupposto una radiazione gravitazionale che, come le onde elettriche da lui menzionate, viaggiasse attraverso lo spazio alla velocità della luce. Ma le onde gravitazionali sono esse stesse distorsioni, increspature, nello stesso spazio-tempo. Aver rilevato onde gravitazionali, quindi, significa che abbiamo avuto un’altra prova a favore della Relatività Generale in una sorta di radiazione diversa da qualsiasi altra Gernsback avrebbe potuto immaginare.

Finalmente la scoperta

Come per le fluttuazioni di espansione e contrazione dello spazio-tempo, possiamo pensare alle onde gravitazionali come un movimento di compressione e stiramento dello spazio. L’accelerazione dei corpi dovrebbe produrre queste increspature, ma solo gli eventi più vasti – l’esplosione di una supernova, una coppia di stelle di neutroni in fusione, o addirittura la collisione tra due buchi neri – sarebbero sufficienti a produrre onde che siamo in grado di rilevare. L’esperimento condotto presso il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) è stato finalizzato alla ricerca di queste onde per più di un decennio, con un Advanced LIGO più aggiornato in uso dallo scorso settembre e di gran lunga più sensibile rispetto al suo predecessore.

LIGO è impegnato dal 2002 nella ricerca delle onde gravitazionali e ha coinvolto nel lavoro circa 1000 scienziati. L’apparato laser interferometrico, installato presso gli osservatori di Hanford nello Stato di Washington e Livingston in Louisiana, si basa sul fatto che il passaggio di un’onda gravitazionale dovrebbe modificare lo stesso dispositivo, riducendo o ampliando lo spazio tra i due oggetti.

Un singolo fascio laser viene separato in due fasci gemelli, inviati su percorsi diversi perpendicolari tra loro dentro canali sotto vuoto lunghi quattro chilometri, fatti rimbalzare su specchi lungo il percorso e alla fine fatti ricombinare, di nuovo allineati. Il passaggio di un’onda gravitazionale attraverso l’esperimento dovrebbe essere in grado di variare la distanza dei due percorsi, il che significa che i fasci non sarebbero più in allineamento, in breve non si annullerebbero più a vicenda. Le variazioni risultano essere poco più di una piccola frazione dell’ampiezza di un nucleo atomico, ma si sono dimostrate rilevabili.

Una data da ricordare

Ora sappiamo che le prime onde gravitazionali sono state rilevate il 14 settembre 2015 alle 5:51 ora legale orientale (09:51 secondo l’ ora universale, quella del meridiano di Greenwich) in entrambi i siti LIGO. La fusione di un buco nero di 36 masse solari ed un altro di 29 volte la massa del Sole ha creato evidentemente un buco nero di Kerr (buco nero rotante) di 62 masse solari. Si pensa che le tre masse solari perse siano state convertite in energia e rilasciate sotto forma di onde gravitazionali in una frazione di secondo, con un picco di potenza, secondo questo comunicato stampa della National Science Foundation, circa 50 volte superiore a quello di tutto l’universo visibile. Il rivelatore di Livingston ha registrato l’evento 7 millisecondi prima di Hanford.

I due buchi neri si sono scontrati circa 1,3 miliardi di anni fa, in una zona del cielo che può essere determinata solo in modo impreciso, perché abbiamo solo due siti di rilevamento. Ciò nonostante, Gabriela Gonzalez (della Luisiana State University), una portavoce per la partnership LIGO, è stata in grado di indicare il cielo del sud nella regione della Grande Nube di Magellano. C’è da tenere presente che ci sono altri aiuti in arrivo – l’interferometro italiano VIRGO, che sarà vicino alla sensibilità di rilevazione di LIGO entro la fine dell’anno, i rivelatori in preparazione al Japanese Kamioka Gravitational Wave Detector (Kagra) e un altro rivelatore in via di realizzazione a LIGO- India (che potrebbe essere operativo entro il 2022). È da ricordare, inoltre, il satellite LISA Pathfinder (Laser Interferometer Space Antenna) che, lanciato nel mese di dicembre, ha ormai raggiunto il punto di Lagrange L1 Sole – Terra.

buchi neri Einstein Gernsback

Nell’immagine: simulazione di due buchi neri che si stanno fondendo davanti alla Via Lattea. nel suo insieme. Credit: SXS Collaboration.

Verso una nuova astronomia

In altre parole, stiamo per entrate nell’era dell’astronomia delle onde gravitazionali. A partire da questa rilevazione di LIGO, abbiamo già imparato che esistono i buchi neri binari e che essi possono fondersi. Un metodo verificato per rilevare le onde gravitazionali dovrebbe portarci a comprendere le basi di diversi fenomeni astronomici. È difficile accertare quanto diversi perché, come spesso il paragone con il primo strumento di Galileo ci ricorda, cose inaspettate saltano fuori ogni volta che si comincia a osservare con nuovi strumenti. Le onde gravitazionali ci forniscono un modo di vedere nei primissimi momenti dell’universo. E ci offrono sicuramente la via d’accesso dentro processi violenti quali le fusioni tra buchi neri e tra stelle di neutroni, e le esplosioni delle supernove. Così ci muoviamo al di là delle lunghezze d’onda elettromagnetiche – luce visibile, raggi X, raggi infrarossi – in una nuova era.

Ha detto Kip Thorne alla conferenza stampa:

Alla lunghezza d’onda del visibile siamo in grado di vedere l’universo come un luogo tranquillo, come guardare l’oceano in una giornata di bonaccia. Ma il 14 settembre tutto è cambiato. Ora vediamo un oceano di onde che si infrangono nella violenta tempesta creata dai buchi nel tessuto dello spazio e del tempo.

Thorne ha continuato parlando del tipo di scoperte che saranno possibili con i progressi nell’astronomia delle onde gravitazionali, non solo i buchi neri, le stelle di neutroni e le supernove precedentemente menzionati, ma anche la possibile individuazione di stringhe cosmiche provenienti attraverso le diverse parti del cosmo, create dal processo d’inflazione nei primi momenti dell’universo.

Aggiunge Thorne:

Con questa scoperta noi esseri umani ci stiamo imbarcando in un nuovo viaggio meraviglioso, che si propone di esplorare l’aspetto curvo dell’universo, oggetti e fenomeni generati dallo spazio-tempo curvo. La collisione tra i buchi neri e le onde gravitazionali sono i nostri primi bellissimi esempi. 

La distanza temporale tra il primo racconto di Gernsback e la Relatività Generale di Einstein era di quattro anni. Quella tra la rilevazione delle onde gravitazionali e la RG è stata di un secolo, un arco di tempo in cui i fondamenti della Relatività Generale sono entrati a far parte del tessuto della cultura scientifica di base. È utile, come esperimento mentale, proiettarci di nuovo in quell’epoca pre-RG e riflettere su quanto drammatico debba essere stato il cambiamento concettuale provocato da Einstein.

 

Hugo Gernsback obituary photograph published in November 1967 issue of his Radio-Electronics magazine.


Immagine: Ritratto dell’editore di riviste Hugo Gernsback (1884-1967), di Fabian Bachrach (1917-2010). Credit: Wikimedia Commons

Un  esperimento mentale antico

L’esperimento mentale è un modo per vedere come i preconcetti possono essere ribaltati in modo drammatico, che è il motivo per cui a volte ritorno a vecchie storie fuori moda come Ralph 124C 41+ di Gernsback. Si tratta di un romanzo famoso negli annali della fantascienza, ma di lettura ampollosa. Brian Aldiss una volta lo descrisse come un “racconto di cattivo gusto per analfabeti” e il suo autore considerava evidentemente la sua trama come poco più di un trampolino per il suo vero scopo, la descrizione di meraviglie tec iche futuristiche. Gernsback non era un Einstein, ma poi, chi era costui? Era un inventore, un editore con un’ampia gamma di riviste, i cui contributi alla fantascienza furono così grandi da far intitolare il Premio Hugo annuale a suo nome. Era inoltre famoso per pagare ai suoi autori compensi molto bassi (Howard Phillips Lovecraft lo chiamava ‘Hugo il Ratto’). Pochi appassionati di fantascienza oggi hanno letto Ralph 124C 41+, ma quel gusto degli inizi del XX secolo per le previsioni straordinarie di stampo tecnologico trasse impulso da quel libro, stimolando un genere emergente e vivace.

La fantascienza attuale, con tutti i suoi sottogeneri, prende la Relatività Generale come punto di partenza per il futuro, continuando a impicciarsi di come la teoria potrebbe essere estesa in modo utile sia per la scienza che per la trama. È anche possibile che, entro i prossimi cento anni, attraverso l’astronomia delle onde gravitazionali potremmo trovare qualcosa che è profondamente difforme dal pensiero corrente quanto la Relatività Generale lo è stata ai suoi tempi. Quando abbiamo progredito verso la RG non abbiamo abbandonato la fisica newtoniana, l’abbiamo semplicemente messa in un contesto più ampio. Apri una nuova porta sull’universo e le cose accadono. Possiamo solo chiederci che aspetto avranno la scienza, e la fantascienza, tra un secolo a partire da oggi.

L’articolo di riferimento è “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,” Physical Review Letters 116 (11 febbraio 2016) 061102. Si veda anche questo utile riferimento dalla rivista online Physics, dell’American Physical Society: Berti, “Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes”.

Traduzione di Simonetta Ercoli

Editing di Donatella Levi

 

Titolo originale: “Pondering Gravitational Waves” di Paul Gilster, pubblicaato l’11 febbraio 2016 su Centauri  Dreams

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23 febbraio 2016 Posted by | Astrofisica, Fantascienza, Radioastronomia, Scienze dello Spazio, SETI | , , , , | 2 commenti

La velocità del pensiero

La velocità a cui ci muoviamo influenza la nostra percezione del tempo. Questa lezione era implicita nella matematica della Relatività Speciale, ma alla velocità in cui la maggiore parte di noi vive la propria vita, facilmente descrivibile in termini newtoniani, ce ne rendiamo difficilmente conto. Raggiungete, però, una percentuale significativa della velocità della luce e tutto cambia. Gli occupanti di un’astronave che si muove a circa il 90% della velocità della luce invecchiano alla metà della velocità di chi rimane sulla Terra. Mandateli al 99,999% di “c” e 223 anni passeranno sulla Terra per ogni anno del loro volo.

gilster_02(nella foto: Paul Gilster, l’autore) Da qui ha origine il “paradosso dei gemelli”, dove il membro della famiglia che viaggia fra le stelle ritorna considerevolmente più giovane del gemello rimasto a casa. Carl Sagan si trastullava con questi numeri negli anni ‘60 per dimostrare che un’astronave in movimento a una accelerazione costante di un “g” sarebbe in grado di raggiungere il centro della Galassia in 21 anni (tempo dell’astronave), mentre sulla Terra sarebbero passate decine di migliaia di anni. Infatti, se si mantiene un’accelerazione costante, il nostro equipaggio potrà raggiungere la galassia di Andromeda in 28 anni, una nozione che Paul Anderson ha affrontato in modo memorabile nel romanzo Tau Zero.

[…] Ho ricevuto un’email da un giovane lettore che voleva saperne di più rispetto agli Uomini e la velocità. Era rimasto colpito nell’apprendere che l’oggetto fatto dall’Uomo attualmente più veloce è la sonda solare Helios II, mentre Voyager I era la sonda più veloce diretta fuori dal Sistema con i suoi 17km al secondo, ben di più dei previsti 14km al secondo della sonda New Horizons diretta verso Plutone e Caronte. Questo per quanto riguardava le sonde automatiche, ma quale era la velocità più alta mai raggiunta da un essere umano?

Velocità come queste sono ovviamente molto al di sotto di quelle che possono causare evidenti effetti relativistici, ma la domanda è interessante a causa di quanto sono cambiate le cose all’inizio del ventesimo secolo, quindi parliamone. Lee Billings si è occupato recentemente di un saggio assai accurato chiamato Il viaggio incredibile: possiamo raggiungere le stelle senza ridurci sul lastrico?, e ha trovato che nel 1906 un uomo chiamato Fred Marriott era riuscito a superare i 200km all’ora (incredibile!) in un’automobile a vapore a Daytona Beach, Florida. Vale la pena di rifletterci perché Lee sottolinea che, prima di allora, la massima velocità alla quale si supponeva che un uomo potesse arrivare era proprio 200 kmh, quando ogni ulteriore accelerazione sarebbe stata azzerata dall’attrito dell’aria contro il corpo umano.

Così, con l’avvento delle macchine veloci, nel 1906 il record di velocità venne alla fine superato, e ci vollero solo una quarantina d’anni perché Chuck Yeager spingesse l’aerorazzo X-1 a oltre 1000 km l’ora, più veloce del suono. Ricordo di avere chiesto in prestito negli anni cinquanta un libro chiamato “L’uomo più veloce ancora in vita”. Prima di scrivere questo articolo, davo per scontato che il libro riguardasse il pilota dell’X-15 Scott Crossfield, ma ho scoperto che questo titolo del 1958 si riferiva in realtà alla storia di Frank Kendall Everest Jr., conosciuto dai suoi compagni d’armi come “Pete”. Everest volò in Nord Africa, in Sicilia e in Italia, e arrivò a completare 67 missioni di combattimento nel teatro del Pacifico, compreso un periodo di tempo come prigioniero di guerra dei giapponesi nel 1945. Io non so se c’è stato un aereo sperimentale in cui lui non volò nel decennio successivo ma, se la memoria mi serve bene, il grosso del volume trattava del suo lavoro con l’X-2, in cui egli nel 1954 raggiunse Mach 2,9. Everest è stato uno dei pionieri di questo notevole gruppo di piloti collaudatori che spinse gli aerorazzi ai confini dell’atmosfera nell’era pre-Gagarin.

Ma ritorniamo alla domanda del mio amico. Lee Billings identifica i più veloci esseri umani ancora viventi in “tre attempati americani, che Usain Bolt potrebbe stracciare in una gara di corsa”. Si tratta degli astronauti dell’Apollo 10, il cui impetuoso rientro nell’atmosfera della Terra cominciò a 39.897 kmh, una velocità alla quale si potrebbe andare da New York a Los Angeles in meno di 6 minuti. Nessuno di coloro che hanno partecipato alla missione può aver subito effetti relativistici rilevabili, ma di sicuro si può dire che, sia pure in misura infinitesimale, i tre sono leggermente più giovani del resto di noi grazie all’azione della Relatività Speciale.

Qualche volta il tempo rallenta in relazione a come noi lo percepiamo. Ho notato un interessante saggio chiamato Il tempo e l’illusione della fine della storia scritto per la Long New Foundation. Il saggio è dedicato a una relazione scientifica pubblicata su Science che chiedeva ai partecipanti di valutare come le loro vite – i loro valori, le idee, la personalità – erano cambiate nel decennio precedente e come loro si aspettavano di vederle cambiare in quello successivo. Da un’analisi statistica delle risposte emerse quella che i ricercatori chiamano “illusione della fine della storia”.

L’illusione funziona in questo modo: noi tendiamo a guardare indietro ai nostri anni giovanili e ci meravigliamo della nostra ingenuità. E come non potremmo, osservando con un certo imbarazzo tutti gli errori che abbiamo fatto e realizzando quanto siamo cambiati e cresciuti nel corso degli anni. Daniel Gilbert, uno degli autori dello studio, ha dichiarato al New York Times: “Quello di cui sembra non ci rendiamo mai conto è che coloro che saremo diventati in futuro guarderanno indietro e penseranno la stessa cosa di noi adesso. Ad ogni età noi pensiamo di avere l’ultima battuta, e ogni volta ci sbagliamo”.

461px-Frank_Kendall_Everest (nella foto: Frank Kendall Everest Jr.) In altre parole, più invecchiamo più pensiamo di essere più saggi di quanto lo eravamo da giovani. Tutti noi pensiamo che alla fine siamo arrivati, che ora vediamo quello non potevamo vedere prima e diamo per acquisito che possiamo annunciare il nostro giudizio definitivo su vari aspetti delle nostre vite. Il processo sembra funzionare non solo rispetto alle nostre vite personali ma anche al modo in cui valutiamo il mondo intorno a noi. In quale altro modo potremmo spiegare la sensazione di certezza che si percepisce dietro ad alcune delle grandi gaffe della storia delle idee? Pensate al commissario americano dei brevetti Charles Duell, che nel 1899 disse “Ogni cosa che poteva essere inventata, è già stata inventata”. Oppure la secca battuta di Harry Warner: ”Chi diavolo vorrebbe sentire gli attori parlare?”.

L’articolo cita poi Francis Fukuyama, che scrisse in modo memorabile a proposito della “fine della storia”, e il filosofo francese Jean Beaudrillard, che considera tali idee nient’altro che un’illusione, resa possibile da quella che lui chiamava “l’accelerazione della modernità”. Long Now aggiunge:

Illusione o no, lo studio dimostra che la sensazione di essere alla fine della storia ha conseguenze nel mondo reale: sottovalutando quanto sarà diversa nel futuro la nostra percezione delle cose, talora prendiamo decisioni di cui in seguito ci pentiremo. In altre parole, l’illusione della fine della storia potrebbe essere definita come una mancanza di visione a lungo termine. È nel momento in cui evitiamo di considerare l’impatto futuro delle nostre scelte (e di immaginare delle alternative) che perdiamo il senso della realtà, e forse perfino la percezione del tempo.

Abbiamo fatto una lunga strada dall’innocente domanda del mio lettore a proposito dell’uomo più veloce. Ma credo che Long Now avesse intuito qualcosa di importante quando parlava dei pericoli che si corrono nel fraintendere come potremmo pensare, e agire, nel futuro. Dando per scontato di avere raggiunto un punto d’arrivo definitivo nella comprensione delle cose, ci attribuiamo troppi poteri e pensiamo, nella nostra arroganza, di essere più saggi di ciò che realmente siamo. Come Einstein ha dimostrato, il tempo è elastico e può essere ripiegato a piacere in modi interessanti. Il tempo è anche ingannevole e, mentre invecchiamo, ci porta a diventare più dogmatici di quanto sarebbe legittimo.

Qualche volta, certo, il tempo e la memoria si mescolano inseparabilmente. Mi ricordo di come mia madre era solita sedere sulla veranda dietro la sua casa quando l’andavo a trovare per farle un caffè. Guardavamo il groviglio di alberi e sottobosco che si arrampicava lungo la collina, mentre il sole del mattino mandava raggi luminosi tra il fogliame e, man mano che l’Alzheimer si andava impossessando di lei, osservava spesso come la vegetazione sul lato della collina era diventata intricata. Ho sempre creduto che intendesse che era diventata così a causa sua, perché non la stava più potando con la regolarità di quando era più giovane.

Finché, non molto tempo prima della sua morte, mi sono improvvisamente reso conto che non stava vedendo la stessa collina che vedevo io. Alla fine della sua vita, stava vedendo la collina di fronte alla sua casa in una cittadina dell’Illinois vicino a un fiume. Come la sua collina attuale, anche quella si levava a oriente, così, mentre la casa era in ombra, la luce del sole si spandeva attraverso il Mississippi verso le terre coltivate del Missouri, nelle mattine luminose in cui lei si alzava per andare a piedi verso scuola. Quando vi ritornai dopo il suo funerale, la collina era in piena vista come lei se la ricordava, erbosa e libera dal sottobosco, anche se la casa non c’era più. Era la collina a cui era tornata con la mente con la stessa chiarezza nel 2011, ancora sua dopo 94 anni, come lo era stata nel 1916. Così tutti noi siamo viaggiatori nel tempo, e ci muoviamo inesorabilmente alla velocità del pensiero.

Traduzione di DONATELLA LEVI e ROBERTO FLAIBANI

Titolo originale: The Velocity of Thought di Paul Gilster – pubblicato il 24 gennaio 2013 su Centauri Dreams.

19 febbraio 2013 Posted by | Senza categoria | , , , , , , | 1 commento

   

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