Relatività e buchi neri

Nel XVII° secolo Newton enuncia la legge della gravitazione universale e per tre secoli la sua fisica diviene un dogma. Agli inizi del 1900 la fisica moderna definisce i limiti delle approssimazioni della fisica di Galileo e Newton.

Einstein unisce lo spazio e il tempo in un unico continuum non più tridimensionale ma quadridimensionale. Per lui la la forza di gravità è in grado di deformare lo spaziotempo e influenzare le onde elettromagnetiche comprese quelle della luce visibile, quindi enuncia la sua relatività generale.

La fisica si evolve e per Einstein la fisica di Newton è sbagliata

 La luce, ad esempio,  passando vicino ad un corpo celeste di massa considerevole, non si propaga più in linea retta ma devia. Il Sole, che possiede la massa maggiore nel nostro sistema e può far deviare la luce di circa 1 centimetro ogni 2 chilometri. Non è molto ma il limite è proprio qui la fisica che viene definita classica è un’approssimazione e le approssimazioni semplificano tutto ma valgono sino ad un certo punto un angolo di 89° può essere considerato retto, cioè di 90° approssimando, ma resta un angolo diverso. Quando concordiamo un appuntamento parliamo di ore, mezze ore o quarti ma se dobbiamo prendere un treno o un aereo dobbiamo conoscere anche il minuto dell’orario di partenza.

L’astronomo Dyson concepisce l’idea di verificare la deviazione della luce utilizzando l’eclissi del 1919 quando le stelle dell’ammasso di Hyades sarebbero state ben visibili dalla Terra durante l’eclissi totale e le onde luminose passando vicino alla massa del Sole ne sarebbero state deviate. L’esperimento riesce e prova che Einstein aveva ragione perché la luce delle stelle passando vicino al Sole viene deviata dalla sua massa risultando in posizioni diverse viste dalla Terra.

A questo punto la relatività di Einstein viene confermata e con essa la definizione dell’unica costante della fisica moderna, cioè la velocità della luce che non può essere superata, mentre i campi gravitazionali divengono deformazioni spazio-temporali causati  dalle masse e proporzionali ad esse.

La fisica di Galileo e Newton è una semplificazione valida entro limiti ben definiti oltre i quali perde di valore

Schwarzschild studia la relatività e ipotizza che un corpo di eccezionale densità impedirebbe persino alla luce di sfuggirgli portando la velocità di fuga al valore massimo invalicabile.

Tolman-Oppenheimer-Volkoff calcolano che stelle di neutroni di massa pari a tre Soli possono collassare in corpi così densi da divenire dei “buchi neri”. In termini semplici quando una stella esaurisce il proprio combustibile atomico trasformando quasi tutto il proprio idrogeno in elio la gravità prevale sulla fusione nucleare la sua struttura collassa e diviene più piccola aumentando la propria densità perché la massa residua rimane tale in un volume ridotto.

La fusione nucleare consente di fondere più atomi leggeri in altri più pesanti e quando la densità aumenta, con il collasso stellare, l’elio si fonde e inizia a prodursi litio, azoto e così di seguito. Per le stelle piccole ad un certo punto il processo si arresta e quindi si spengono definitivamente con la loro forza di gravità bilanciata dalla pressione di degenerazione quantica. Il principio di esclusione di Pauli impedisce a due particelle uguali di possedere il medesimo stato quantico quindi avvicinando particelle sino a fargli assumere posizioni non distinguibili queste devono assumere stati di energia quantica diversi opponendosi e bilanciando nuovamente la gravità aumentata creando nane bianche e pseudo-pianeti.

Quando il nucleo stellare è maggiore di 1,44 volte il nostro Sole la catena delle reazioni di fusione può arrivare a generare ferro assorbendo l’energia e trasformando la stella in una massa ferrosa inerte che non può più opporsi al collasso gravitazionale controllata dalla pressione di degenerazione che però a volte cessa repentinamente di prodursi facendo esplodere la massa in una supernova che disperde materia ma lascia un piccolo nucleo stabile definito stella ai neutroni.

Quando il nucleo stellare è maggiore di 3 volte il nostro Sole collassando la pressione aumenta a tal punto da divenire essa stessa sorgente del campo gravitazionale in un ciclo infinito che genera i buchi neri.

Il campo gravitazionale rimane sempre proporzionale alla massa aumentando con la concentrazione e la densità così elevata da produrre un campo gravitazionale che attrae tutto quanto arriva vicino in un raggio sempre più ampio e con sempre maggiore forza in un ciclo infinito.

I buchi neri

Il collasso di gigantesche masse stellari diviene un buco nero (il nome deriva dal fatto che la velocità di fuga è così elevata da impedire anche alla luce di sfuggire) delimitato da una superficie sferica detta orizzonte degli eventi (Il nome sottolinea che per gli osservatori esterni nessun evento interno può essere visto). Per la fisica dei quanti l’osservatore perturba il sistema ed è fondamentale la sua posizione: l’osservatore esterno vede il tempo rallentare sino ad arrestarsi mentre per l’osservatore all’interno dell’orizzonte degli eventi il tempo scorre in modo totalmente diverso. Un buco nero è un fenomeno inimmaginabile come ridurre la Terra alle dimensioni di un granello di sabbia e oltre conservandone però interamente il peso.

La possibilità enunciata da Schwarzschild che una densità così grande possa essere raggiunta attraverso il progressivo collasso gravitazionale di grandi masse  viene ritenuta da Einstein in contrasto con la sua relatività generale e nel 1939 lo dichiara impossibile in quanto, secondo lui, per ottenere la densità richiesta le particelle avrebbero dovuto superare la velocità della luce definita dalla sua relatività ristretta invalicabile.

Ma anche i geni sbagliano

Già nello stesso anno Oppenheimer definisce i presupposti di Einstein errati perché non esiste un limite alla concentrazione della massa teorizzata da Schwarzschild. Da quel momento inizia la corsa a dimostrare che i buchi neri originati dal collasso gravitazionale esistono.Einstein riteneva che il momento angolare delle particelle collassate ne avrebbe stabilizzato il moto ad un raggio definito, negando i buchi neri per collasso gravitazionale come corpi fisici. Nella seconda metà del secolo XX° la convinzione dell’esistenza dei buchi neri e dell’orizzonte degli eventi è sempre più diffusa e la relatività viene valutata punto per punto e non più come dogma assoluto. Con i progressi dell’astronomia inizia la fase della ricerca indiretta dei buchi neri individuati attraverso gli effetti che il loro campo gravitazionale provoca sui corpi celesti vicini.

La foto del secolo

Da ieri tutti hanno potuto ammirare la prima foto di un buco nero con l’orizzonte degli eventi perfettamente circolare. Un nutrito gruppo di scienziati hanno lavorato anni a coordinare ben otto radiotelescopi per ottenere una enorme massa di dati resa omogenea da software specifico per ottenere alla fine quella immagine giustamente definita di importanza storica. Una foto che è una prova reale e diretta che smentisce una valutazione errata di Einstein che rimane un genio inarrivabile ma che riteneva erroneamente tutto questo impossibile.

Un’immagine importantissima, ottenuta con un telescopio a moduli che consentirebbe di leggere un foglio dattiloscritto posto sulla Luna. Una foto che apre le nostre conoscenze e ci spinge un po più avanti oltre l’ignoranza facendoci vedere quella superficie sferica dove lo spaziotempo muta profondamente. Nel nucleo della grande galassia catalogata come Messier n° 87 la foto mostra una zona circolare enorme del diametro di 40.000.000.000 Km quindi capace di contenere oltre 400 sistemi solari completi. Una zona assolutamente priva di ogni forma di materia ed energia cioè un buco nero e il suo orizzonte degli eventi.

Una immagine nuova o vecchia?

Per l’umanità è uno scoop sensazionale, eppure dobbiamo riflettere che l’immagine è arrivata a noi dopo 55 milioni di anni ed è quindi parimenti vecchia. Noi oggi vediamo qualcosa com’era 55 milioni di anni fa, ci resta la curiosità di sapere come si sarà evoluto in questo tempo talmente lungo da essere per noi piuttosto incomprensibile.

Ora dovremo studiare questa immagine e i dati che sono ad essa associati. Bisognerà valutare se in queste condizioni estreme la relatività generale sia ancora applicabile o se dovremo studiare ritocchi ed adeguamenti. Il buco nero in se stesso non può essere studiato dall’esterno ma lo spazio vicino all’orizzonte degli eventi si e lo spazio deformato, la materia ad altissima temperatura e i campi magnetici eccezionali offrono e offriranno spunti inestimabili agli scienziati, soprattutto perché molte caratteristiche osservate trovano corrispondenze nelle teorie già formulate.

Niente trucchi solo scienza

Oggi abbiamo la prova di un’altra cosa che per la fisica classica non può esistere ma che solo la fisica moderna dei quanti e della relatività può spiegare e che si aggiunge agli altri oggetti “impossibili” come il cellulare, le chiavette USB, il GPS, il microscopio elettronico a tunnel, la risonanza eletromagnetica, ecc.

Eppure troppa gente, compresi vecchi e nuovi laureati, non conoscono la fisica quantistica.

Ora scienziati e ricercatori hanno il compito di tradurre queste nuove conoscenze in un linguaggio comprensibile a tutti perché non è più possibile immergere, come gli struzzi, la testa nella sabbia e confondere le meraviglie della scienza con la magia o lasciare che l’ignoranza ci guidi nella vita quotidiana.

Cosa succederà ora?

Dobbiamo scoprirlo e lo scopriremo perché la scienza umana sta solo muovendo i  primi passi e, più presto di quanto posiamo immaginare, avremo cose che neppure la fantascienza può immaginare. Oltre l’orizzonte degli eventi anzi già molto vicino ad esso si viene schiacciati e allungati se il buco nero è piccolo ma si può sopravvivere se è molto grande. Si teorizza che i grandi buchi possano essere tunnel spazio-temporali per andare dove “nessun uomo è mai giunto prima” come dice l’autore della saga Star Trek. I buchi neri potrebbero portarci istantaneamente in punti remoti anche in altre galassie, oppure trasferirci nel tempo.

Il paradosso del nonno dice che un viaggiatore temporale tornando indietro e uccidendo il proprio nonno cesserebbe di esistere non potendo mai nascere ma allora non potrebbe farlo e quindi esisterebbe. Per risolvere il paradosso di Achille piè veloce e della tartaruga che non poteva essere raggiunta abbiamo dovuto attendere 20 secoli, quanto dovremo aspettare per quello del nonno?

Mons. Mauro Contili, Rettore UniSanPaolo

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