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7/07/16

A cosa serve la Relatività Generale? **

Quasi come reazione  a un momento personale un po’ difficile, ho voluto descrivere qualcosa di globale, anche se estremamente semplificato e sicuramente incompleto. Una riflessione scritta a voce alta, che spero ci faccia sentire sempre più vicini a ciò che di meraviglioso ci circonda e di cui siamo parte integrante. L’inizio di questo articolo sembrerebbe solo una provocazione. Tuttavia, spero sia utile per capire il ruolo dei vari oggetti del grande Teatro del Cosmo, dove tutto è utile e dove tutto segue le regole migliori per mantenere armoniosa una struttura che possiamo considerare infinita sia verso il macro che verso il microcosmo. La provocazione finisce, ovviamente, con un sentimento di ammirazione e di gioia immensa.

La maggior parte dell’Universo è formato da “vuoto”. Un vuoto che non è mai realmente vuoto per due motivi: il primo è che il gas e la povere della fatica di miliardi di anni di vita dei vari attori, piccoli e grandi che siano, si sono dispersi un po’ ovunque anche tra galassia e galassia e addirittura tra ammasso e ammasso (ne abbiamo parlato anche QUI). Una rete “neuronale” che collega i centri di azione principali, ma che è una specie di sfondo essenziale per la sopravvivenza ed evoluzione del Tutto. Il secondo è che anche dove il vuoto sembra proprio essere assoluto, un microscopio prodigioso, che ancora non possediamo, potrebbe permetterci di vedere masse ed energia in un gioco continuo di creazione e distruzione, un brulichio di particelle-non particelle che potrebbe sostenere l’intera impalcatura del Cosmo oltre che averne dettata l’origine. Sto parlando del vuoto quantico, il regno di un microcosmo, regolato dal principio di Heisengerg e dalle sue conseguenze.

Un mondo che avrà sicuramente una ruolo fondamentale per capire l’intera trama della “commedia” che si sta rappresentando, ma che, per adesso, è solo scritta nella mente di pochi visionari, in attesa di una sintetizzatore straordinario come Einstein o Feynman o tanti altri colleghi della loro epoca d’oro.

Oltre a questo vuoto-non vuoto o quasi-vuoto vi è un numero incredibile di stelle, soprattutto di piccola stazza. Stelle come il Sole, ma anche molto più piccole che mantengono la “vita” e trasformano materia in energia, senza apparire realmente decisive per l’evoluzione della grande storia del Cosmo. Non parliamo poi delle stelle “fredde” e dei pianeti, insignificanti concentrazioni di massa che sembrano dare solo pochi ritocchi a una struttura dal respiro ben più ampio. Anche senza di loro la “scultura” generale potrebbe essere un capolavoro come la Pietà Rondanini di Michelangelo (appena abbozzata, ma di intensità tragica impressionante), senza dove accettare le raffinatezze stilistiche della Pietà giovanile di San Pietro.

Sbaglieremmo a essere troppo affrettati. Se pensiamo al lavoro impressionante delle poche stelle giganti, dedicato soprattutto a costruire elementi sempre più pesanti per arricchire non solo tutto l’Universo, ma anche e soprattutto quei piccoli pianeti, veri granelli di polvere rispetto alle lontane genitrici, capiamo subito che ogni cosa nel Cosmo è importante e se non lo comprendiamo subito è solo per una nostra carenza.

Le stelle vivono insieme raggiungendo numeri impressionanti, centinaia di miliardi, in grandi città cosmiche. Città che forniscono cibo ed energia ai loro abitanti stellari. Strutture dove morte e vita è un’unica catena continua. Gas caldo e gas freddo sono a disposizione delle “mamme” che vivono nelle galassie, mamme che a loro volta creano nuovo materiale sempre più ricco e complesso. Un materiale che non viene regalato grezzo, ma che già subisce una serie di trasformazioni che lo preparano per il loro viaggio verso quei pezzetti di roccia a prima vista insignificanti che sono i veri e propri figli delle stelle più piccole.

Le galassie sono tantissime, a volte più isolate, a volte riunite in ammassi enormi, dove la gravità la fa da padrone per gestire i movimenti e gli spostamenti e dove un “cuore” freddo o caldo può stimolare o bloccare le nascite stellari

Il buco nero della galassia NGC 1275, al centro dell’ammasso del Perseo, si accresce ingoiando materiale che cade verso di lei (i filamenti che si vedono superano i 20 000 anni luce). Nella lunghezza d’onda dei raggi X, la super galassia inonda l’ammasso di un alone di plasma caldissimo. Fonte: Hubble Legacy Archive, ESA, NASA/Al Kelly
Il buco nero della galassia NGC 1275, al centro dell’ammasso del Perseo, si accresce ingoiando materiale che cade verso di lei. Nella lunghezza d’onda dei raggi X, la super galassia inonda l’ammasso di un alone di plasma caldissimo. Fonte: Hubble Legacy Archive, ESA, NASA/Al Kelly

L’insieme di tutta questa massa definisce anche l’Universo nel suo complesso e porta con sé già il messaggio sul suo futuro. Basterebbe saperlo leggere, ma ancora siamo ai primi balbettamenti. Vincerà la gravità contro l’espansione primigenia o sarà il contrario? Oppure siamo proprio in situazione di quasi equilibrio dettata da un’espansione iniziale troppo violenta?

Trascurando le fasi iniziali e cercando di descrivere tutto ciò che ci circonda oggi, potremmo dire che il carattere degli attori è abbastanza comprensibile e che ognuno di loro sembra giocare un ruolo, più o meno compreso, ma abbastanza ben definito. In questo Universo, dove non si capisce bene la regola generale e chi o cosa la detta, potremmo dire che la Relatività Generale ha un’importanza secondaria.

In  fondo, cosa può interessare un piccolo ritocco trascurabile come la precessione di un pianeta come Mercurio? E’ un po’ diversa da quella teorica, ma sono piccole cose… Per descrivere il Teatro nel suo complesso basta e avanza la Relatività Ristretta. Basta addirittura per farsi prendere per mano dagli abitanti ancora misteriosi del microcosmo. La Relatività Generale è un solo un gioco perverso che vorrebbe spiegarci cosa capita in pochi punti particolari del Cosmo, in una popolazione che è numericamente trascurabile.

La massa deforma lo spaziotempo? Ebbene, che ci importa? Lo fa solo quando le masse sono veramente enormi e di masse così enormi ce ne sono veramente poche. In realtà, poi, non è tanto la massa che importa veramente, ma quanto di essa riesca a stare all’interno di un certo volume. Solo se il volume diventa veramente piccolo lo spaziotempo comincia a subire drastici cambiamenti. Cambiamenti veramente locali, però. In fondo sappiamo giù molto bene che se il Sole diventasse un buco nero, la Terra nemmeno se ne accorgerebbe dal punto di vista orbitale.  Dovremmo andare ben oltre l’orbita di Mercurio, a poche migliaia o centinaia di chilometri da un Sole diventato quasi puntiforme per cominciare a vedere o a subire cose davvero strane.

Basta starne alla larga… e la Relatività Ristretta è più che sufficiente. Al limite, capire come si deforma lo spaziotempo, nelle vicinanze di questi volumi così zeppi di materia (diamo il nome proprio a questa situazione: la densità diventa veramente altissima), può essere utile praticamente per riuscire a vedere galassie che sarebbero troppo lontane per essere osservate e poste, oltretutto, proprio all’ombra di colleghe più vicine. Va bene, ringraziamo l’effetto lente e la deformazione dello spaziotempo per questi miglioramenti osservativi e poi torniamo a cose più serie…

L’importante è trovare la massa mancante e la nuova spinta che l’espansione dell’Universo sembra avere avuto in dono da qualcosa di così strano che vale la pena chiamarla energia oscura, come oscura è la massa che non riusciamo a vedere. Sì, va bene, dedichiamoci pure a questo… ma, di nuovo, la Relatività Generale potrebbe anche essere trascurata. In fondo, alla fin fine, sono le particelle più piccole che comandano questi giochi misteriosi e possiamo sempre crearne di nuove, senza che nessuno (o quasi) riesca a dimostrare che non esistono (o il viceversa).

E invece, ci siamo dimenticati di un ruolo fondamentale per mantenere vivo e vegeto l’Universo. E’ come se avessimo costruito un automobile meravigliosa, luccicante, piena di “optional” di estrema raffinatezza, ma che è ancora ferma nell’autorimessa. Sì, abbiamo provato i fari, le frecce indicatrici, il movimento dei sedili e del poggiatesta, ma qual è la vera ragione di quell’automobile? Beh… quella di muoversi e percorrere un tracciato più o meno libero (questo per il momento non possiamo nemmeno immaginarlo). Insomma, ciò che veramente conta è il motore. Funziona oppure no? O, ancora meglio, esiste ed è stato sistemato nel punto giusto con tutti i collegamenti necessari?

Se preferite, pensiamo a un bellissimo appartamento in alta montagna, dotato di tutti i comfort: idromassaggio, materassi ad acqua, lucci psichedeliche, quadri d’autore, ecc.  Un luogo in alta montagna dove gli effetti del GW, che sta per diventare un GC (raffreddamento globale), fa scendere la temperatura a -80°C. Una cosa non deve certo mancare: una caldaia, munita di un termostato che sappia lavorare al meglio.

Ebbene, per descrivere i motori del Cosmo e la loro preziosissima e fondamentale funzione, la Relatività Generale è l’unico linguaggio possibile. Stiamo parlando dei buchi neri galattici, oggetti che contengono una massa pari a milioni o miliardi di volte quella del Sole. In fondo, non sono tanto grandi (il loro volume deve comunque essere ristretto), ma quando qualcosa arriva dalle loro parti è sufficiente a mettere in moto il motore dell’auto o il termostato della villa in montagna.

Proprio su come svolgono il loro lavoro si sta indirizzando l’astrofisica più seria e d’avanguardia. Non per altro ne parliamo spesso e volentieri. Senza conoscere il motore o la caldaia si fa poca strada…

Visione artistica di un buco nero che sta divorando ciò che resta di una stella di passaggio. Dai pressi dell’orizzonte degli eventi si lanciano due getti potentissimi ben visibili nel radio. Teoricamente dovrebbero essere composti da particelle ultraveloci e invece non si è notato nessuno spostamento notevole negli ultimi anni. Fonte: ESA/S. Komossa/Beabudai Design
Visione artistica di un buco nero che sta divorando ciò che resta di una stella di passaggio. Dai pressi dell’orizzonte degli eventi si lanciano due getti potentissimi ben visibili nel radio. Teoricamente dovrebbero essere composti da particelle ultraveloci e invece non si è notato nessuno spostamento apprezzabile negli ultimi anni. Fonte: ESA/S. Komossa/Beabudai.

Non sappiamo ancora come si siano formati all’inizio, ma, sicuramente, l’energia che sono riusciti a produrre ingoiando e scagliando all’esterno il gas che si addensava attorno a loro, ha permesso di “svegliare” gli atomi addormentati dell’idrogeno neutro che dominavano un Universo che era appena uscito dalla fase dell’ultima luce, prima del buio totale seguente la radiazione cosmica di fondo. I raggi ultravioletti hanno eccitato gli atomi, li hanno ionizzati e si sono creati enormi bolle di gas caldissimo dal cui interno le stelle hanno cominciato a fare uscire la loro luce verso l’esterno (una spiegazione dettagliata la trovate QUI)

Una galassia veramente antica, la cui luce è riuscita a farsi largo nell’idrogeno neutro grazie al suo motore centrale. Fonte: ESO
Una galassia veramente antica, la cui luce è riuscita a farsi largo nell’idrogeno neutro grazie al suo motore centrale. Fonte: ESO

Una stella poteva anche lottare con la sua poca energia, ma non sarebbe mai riuscita ad aprire un varco, per la sua luce, attraverso l’idrogeno neutro. Solo i buchi neri galattici hanno preparato il terreno per fare uscire l’Universo da una nebbia impenetrabile. In tempi relativamente brevi la nebbia si è sciolta un po’dappertutto e il Cosmo è apparso nella sua incredibile bellezza. Saremmo forse nati attorno a una stella come il Sole, ma saremmo vissuti nel buio più totale: che tristezza!

E poi… si sono ritirati a vita privata? Neanche per sogno. Hanno cominciato a funzionare come termostati perfetti e come motori capaci di regolare il numero di giri. Il gas cadeva verso di loro e una buona parte veniva ingoiata, mentre un’altra parte veniva riscaldata e scagliata verso l’esterno attraverso i getti. Tutto avveniva al momento e nel punto giusto. Un punto che solo la Relatività Generale può descrivere e spiegare: l’orizzonte degli eventi.

 

Pensiamo pure alla perdita “assurda” di informazione che sembrano causare o ai misteri da fantascienza che avvengono al loro interno, ma pensiamo anche alla splendida azione di accrescimento di massa, all’espansione dell’orizzonte, al riscaldamento del gas, alla rotazione e al campo magnetico che aiuta a convogliare i getti. Un lavoro impressionante e complesso, ancora non compreso del tutto, ma di una perfezione impressionante.

Non troppo caldo ma nemmeno troppo freddo…

Questa è una regola comune a tutto il Cosmo, Terra compresa. A volte il gas che viene scagliato deve essere caldissimo per regolare le nascite, altre volte deve invece aiutarle e probabilmente il buco nero serve anche da “condizionatore”. E non parliamo poi delle spinte e degli urti e delle stupende azioni collaborative tra buchi neri di due diverse galassie. E questo ci sposta ancora oltre.

Prima dell’avvento delle osservazioni X, ben poco si sapeva di cosa accadeva attorno ai buchi neri: addirittura si mettevano ancora in dubbio. Poi tutto è apparso nitido e gigantesco. Gli stessi ammassi galattici, ricchissimi di strutture anche molto vicine, sembravano un insieme di abitanti scontrosi e poco socievoli. Sì, potevano anche scontrasi, ma erano episodi quasi casuali. E, invece, i raggi X ci hanno mostrato e ci mostrano sempre meglio che un ammasso è un unico enorme cuore che pulsa. Attorno alla galassia centrale vi è un enorme bolla di gas caldissimo (milioni di gradi) che lega le galassie tra di loro in un gioco di condivisione fantastico.

Gas caldo per regolare le nascite, ma anche gas freddo per farle nascere di nuovo. Il tutto regolato dai “piccoli”, ma sempre attivi buchi neri. Termostati perfetti che sanno interagire tra di loro e con le loro figlie stelle. E ci sarebbe da parlare per ore, così come ci sarebbero da fare osservazioni sempre più mirate e precise. Oggi siamo arrivati al punto di vedere una moneta da un euro sulla Luna, ma si può e si deve fare di più. I motori funzionano, creano la vita e la rallentano, si inviano messaggi e si uniscono se ve n’è bisogno, sanno mangiare o rifiutare il cibo quando necessario e sanno come elaborarlo e rimandarlo all’esterno. E tutto ciò capita in una zona ristrettissima, che non si sa nemmeno ancora se è luminosa oppure no. Una zona in cui la relatività generale arriva ai suoi limiti e descrive le varie fasi. La luce si indebolisce, ma l’energia aumenta. Quanti problemi per i nostri occhi abituati a uno spaziotempo troppo “normale”. Fotoni che girano all’impazzata, altri che tornano indietro, particelle che rasentano la velocità della luce, un visione distorta e apparentemente assurda. E siamo ancora al di fuori del primo confine…

Cosa sono mai capaci di fare questi motori al loro interno? Forse sanno anche come tenere le fila senza aver bisogno di uno spaziotempo pur sempre limitato. Informazioni che entrano da una parte e che escono da un’altra. Non vediamo i buchi bianchi? Beh… cerchiamo di non essere arroganti come sempre. Non molti anni fa non vedevamo neanche i buchi neri. Forse, dovremo passare attraverso le forche caudine della voglia di apparire e troveremo energia chiara e materia chiara o chissà cosa. Noi cerchiamo di pensare, di ragionare, di aspettare qualche grande mente, in serena umiltà. Intano, i motori dell’Universo continuano ugualmente il loro lavoro eccezionale e fondamentale. La vera trama della storia infinita dell’Universo.

Sono i cannibali, i mostri, i distruttori? Attenzione alle parole buttate lì senza pensare…. Ogni tanto ci danno anche qualche aiuto, quasi per stuzzicarci: prima i raggi X (e anche gamma e radio), ultimamente un’informazione del tutto nuova che cerca di farci capire come riescono veramente a fare amicizia e convivere per il bene dell’Universo. Piccoli segnali che ci stanno facendo capire che siamo ancora agli inizi e che non c’è fine alle informazioni che l’Universo vuole mandare in giro: anche questo è parte del loro lavoro.

Viva la Relatività generale, allora, e la sua capacità immensa di avere già previsto in anticipo ciò che i buchi neri oggi ci stanno regalando. Antro che sua conferma… mi sto quasi convincendo che Einstein avesse un telefono molto speciale che lo collegasse a questi “signori” del Cosmo. Senza dimenticare, però, il lavoro da “mediano” della relatività ristretta e anche quello approssimativo, ma più che sufficiente per farci viaggiare nel Sistema Solare (e dico poco), che è nato da due geni come Galileo e Newton.

Questa specie di riflessione e sintesi ha preso spunto da alcuni lavori usciti da poco, riguardo a un buco nero che “sputa” gas freddo, a galassie giù luminosissime ai primordi dell’Universo, all’alone caldissimo e fantastico che domina l’ammasso del Perseo, ai getti apparentemente lenti dopo un pasto a base di una singola stella, e altro ancora. Qualche link,QUI, QUI e QUI.

Questo articolo fa parte della serie "Verso la RG", in quanto propedeutico alla comprensione della Relatività Generale, QUI trovate tutti quelli che sono stati scritti fino ad ora. Si precisa che questa serie non è da considerarsi esaustiva, ma in continuo aggiornamento

10 commenti

  1. Pippo

    Bell'articolo introduttivo alla RG , Vincenzo! Immagino il prosieguo .  8)

    mi sto quasi convincendo che Einstein avesse un telefono molto speciale che lo collegasse a questi “signori” del Cosmo

    io dico che Einstein era proprio uno di quei signori del cosmo !  :roll:

    e pensare che tutto ebbe inizio da questo semplice pensiero del Nostro : " Mentre cado, io non avverto il mio peso" !  :roll:  8-O  :idea:  :idea:

  2. grazie Pippo... hai proprio ragione!!! Mi ricorda anche Feynman quando diceva che la teoria era superba, ma che non riusciva a capire come fosse potuta venirgli in mente! E detto da Richard... non so se mi spiego... :wink:

     

  3. Gianni Bolzonella

    Mamma mia quanta carne al fuoco ! Mi gira già la testa.Questa introduzione che abbiamo letto è il solaio scientifico di una casa,ma quante forme hai lasciato immaginare,quante esche hai seminato,eppure leggo dalle tue parole,solidi scarponi da montagna,la voglia di danzare leggere.

  4. grazie Gianni... spero che gli scarponi non facciano crollare il solaio... ce la metterò tutta!!!! :mrgreen:

  5. Gianni Bolzonella

    La Pietà Rondanini va letta col cuore e non con gli occhi.È l'eterna volontà dell' anima di liberarsi dal male e dalle miserie del mondo.L'Universo in progress.Ma,c'è un Ma,il principio di Heisemberg .Si potrebbe dire che so,È l'angoscia dell'anima di non venire stritolata,inghiottita dalle forze della negatività,(per noi) dal brodo primordiale che tutto fagocita e rivomita.

  6. Gianni Bolzonella

    "Teoricamente dovrebbero essere composte di particelle ultraveloci e invece non si è notato nessuno spostamento apprezzabile negli ultimi anni".Non ho capito che spostamento apprezzabile non è stato notato ( vedi foto del buco nero).Scusa la domanda ingenua,se la massa è energia e questa viene compressa alla ennesima potenza,questa cambia fase e ridiventa pura come quella degli albori,la gallina che ridiventa uovo,la molla che si ricarica,il disordine che ridiventa ordine e il cerchio si chiude.Niente si distrugge ma tutto cambia,se si assume l'eternità (o che il tempo universale non esiste)si deve per forza concludere che qualcosa si rigenera continuamente,anche se siamo lungi dal capire a che cosa serve questa rappresentazione.

  7. Daniela

    Ciao Gianni,

    Enzo è in vacanza e non potrà risponderti fino alla prossima settimana.

    Buona domenica!

     

  8. Gianni Mastropaolo

    Questo tipo di lettura mi affascina e mi attrae ... ora attendo le prossime puntate!

  9. Gianni Bolzonella

    Grazie Daniela,buona domenica anche a te e buone vacanze ad Enzo e famiglia.

  10. Lorenzo

    Bel pezzo Enzo, rende proprio l'idea del Teatro del Cosmo nel macro, affascinante. Il micro, se scriverai il pezzo, non sarà comunque da meno con la MQ

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