Meglio tardi che mai

Un altro punto a favore della relatività generale

di Andrea Signori

Si sa: anche alla NASA ogni tanto sbagliano. Errori nella conversione di unità di misura (con sonde che, di conseguenza, partono per la tangente verso lo spazio profondo), grossolane dimenticanze da bocciatura in Fisica 1 (mai sentito parlare dell’effetto Doppler?) eccetera. Fino a poco tempo fa la lista dei fallimenti comprendeva anche Gravity Probe B, un esperimento concepito per verificare due predizioni della relatività generale, la teoria proposta da Albert Einstein nel 1916 come modello matematico della gravità: l’effetto geodetico e l’effetto Lense-Thirring (detto anche “effetto trascinamento” o frame-dragging). Ma ora…

La sfortunata missione iniziò con il lancio di un satellite in orbita polare nel 2004. La raccolta dei dati terminò nel 2005, ma per avere i primi risultati si dovette attendere fino al 2007. Per giunta, in quell’anno si ottenne conferma soltanto dell’effetto geodetico. Del frame-dragging, più complesso e sottile, nessuna traccia. Tant’è che nel 2008 la NASA stessa si dichiarò scettica circa la buona riuscita della missione. Tuttavia nel 2009 alcuni finanziamenti privati (tra cui 2,7 milioni di dollari provenienti dalla famiglia reale saudita) rilanciarono la ricerca e l’analisi dei dati raccolti dal satellite. Grazie a questa sostanziosa iniezione (ah, il potere del petrolio!), gli scienziati hanno da poco confermato anche l’osservazione del frame-dragging, dichiarando finalmente concluso l’esperimento in un articolo che verrà pubblicato su “Physical Review Letters”.

Ma che cosa sono l’effetto geodetico e il frame-dragging? Entrambi hanno a che fare con la curvatura dello spaziotempo prodotta da una massa. Il primo dipende strettamente dalla natura non piatta dello spaziotempo e quantifica la precessione di una quantità vettoriale (l’asse di rotazione di un giroscopio nel caso di Gravity Probe B) lungo un’orbita attorno a una distribuzione di massa, in questo caso la Terra. Il secondo quantifica un’ulteriore precessione, simile alla precedente, attribuendola al moto rotatorio della massa che distorce lo spazio-tempo, cioè la rotazione sempre della Terra.

Il frame-dragging, ovvero la distorsione dello spaziotempo provocata dalla rotazione della Terra. (Cortesia: NASA/Stanford University)

In sostanza, Gravity Probe B ha misurato la precessione dell’asse di rotazione di un giroscopio in orbita attorno alla Terra, in parte prodotta dalla semplice presenza del nostro pianeta (effetto geodetico) e in parte da attribuire alla sua rotazione (frame-dragging). Come è riuscito nell’impresa? Il piccolo satellite lanciato dalla NASA conteneva quattro giroscopi di tipo London e un telescopio puntato, come riferimento, sul sistema binario di stelle IM Pegasi. Ciascun giroscopio London è formato da una sfera di quarzo delle dimensioni di una pallina da ping pong (all’epoca queste sfere erano gli oggetti più sferici mai costruiti, realizzati con la precisione di 40 atomi) dotata di un campo magnetico (di origine superconduttiva) allineato perfettamente all’asse di rotazione. Con un magnetometro si sono misurate le variazioni direzionali del campo magnetico delle sfere rispetto alla direzione puntata dal telescopio, ottenendo risultati compatibili con quelli predetti mediante l’effetto geodetico e il frame-dragging. E…

Gravity Probe B rileva la discrepanza tra la direzione dei giroscopi e IM Pegasi. E' colpa delle precessioni indotte dall'effetto geodetico e dall'effetto trascinamento.

…sì, che tu ci creda o no, il responso di Gravity Probe B è: “La Terra incurva lo spazio-tempo e la sua rotazione ne arriccia la struttura”. Sei scettico? Pazienza. La relatività generale, così come tutta la fisica moderna, va al di là dell’umana e quotidiana comprensione della Natura. E al poveretto che tenta di sondarne le profondità non resta che la matematica, cruda ma estremamente potente e fruttifera (e noi ne abbiamo già parlato).

Il risultato ottenuto è molto importante: gli esperimenti sono i partner irrinunciabili di una teoria che si proponga di essere “fisica”. Vero è che l’accuratezza di Gravity Probe B lascia un po’ a desiderare. L’effetto giroscopio è stato verificato con una precisione dello 0,5 per cento, mentre il frame-dragging con un’incertezza piuttosto alta: 20 per cento, contro l’1 per cento previsto in origine dagli scienziati. Inoltre altre collaborazioni sperimentali avevano già confermato le previsioni di Josef Lense e Hans Thirring, seppure non senza polemiche e aspri dibattiti sull’efficacia degli apparati utilizzati e l’interpretazione dei dati. Gli scienziati del Mars Global Surveyor sostengono di aver misurato l’effetto trascinamento attorno all’orbita di Marte con una precisione dello 0,5 per cento, mentre altri dichiarano di averlo visto con lo 0,1 per cento di incertezza utilizzando la tecnica LLR (Lunar Laser Ranging) per la misurazione della distanza tra la Terra e la Luna. Entrambi gli esperimenti, come abbiamo detto, sono piuttosto contestati.

Il merito di Gravity Probe B sta nell’aver portato un contributo certo (cioè senza dubbi sulla natura dell’effetto osservato) allo studio del frame-dragging. Il suo grande difetto sta nell’accuratezza: il 20 per cento è decisamente tanto. Troppo, rispetto agli esperimenti della concorrenza.