La Relatività Generale si fonda sul “principio” di equivalenza,
la cui verifica è cruciale.
Stato dell’arte e prospettive
Anna M. Nobili
Dipartimento di Fisica “E. Fermi” dell’ Università di Pisa e INFN
Largo Bruno Pontecorvo 3, 56127 Pisa, Italia
La gravità è la più antica tra le forze fondamentali della natura scoperte dall’uomo, e governa il moto
di tutti i corpi celesti dagli asteroidi, alla Terra, al sistema solare, alle stelle, alle galassie, all’intero
universo. Dalla pubblicazione dei Principa nel 1687, per circa 230 anni, quella di Newton è stata
la migliore teoria della gravitazione, che ha permesso di descrivere con grande precisione il moto dei
corpi celesti e ha fatto della meccanica celeste il paradigma delle scienze esatte. Nel 1915-16 la teoria
della Relatività Generale di Einstein cambia totalmente il punto di vista di Newton. I primi risultati
osservabili si discostano di poco da quelli di Newton, ma oggi la Relatività Generale è parte integrante
della tecnologia moderna e le sue previsioni non sono mai state smentite dagli esperimenti.
Ciononostante siamo ben lontani dall’avere un modello dell’universo in accordo con le osservazioni.
Le galassie non rispettano le leggi della gravitazione a meno che non si ipotizzi l’esistenza al loro interno
di un massa per noi oscura. Le osservazioni di supernove molto lontane dimostrano che l’universo
accelera ad un tasso maggiore di quanto la teoria attuale non riesca a spiegare, come se ci fosse
qualcosa (una energia oscura) che contrasta l’attrazione gravitazionale accelerando l’espansione. Le
osservazioni richiedono di invocare circa il 70% di energia oscura e il 25% di massa oscura, per un totale
di 95% di massa-energia dell’universo di cui non sappiamo nulla. Quanto alle altre forze fondamentali
– elettromagnetica, debole e forte– esiste dagli anni 70 del secolo scorso il “Modello Standard” delle
particelle elementari che descrive, in accordo con gli esperimenti, la fisica su piccolissime scale. Ma il
Modello Standard e la Relatività Generale sono tra loro inconciliabili, e si osserva che esse falliscono
ogni qual volta si ha a che fare con processi fisici per i quali sono rilevanti sia la gravità che la meccanica
quantistica.
C’è evidentemente un impasse, da cui forse è possibile uscire –come altre volte nella storia della
fisica– con un esperimento di altissima precisione.
La Relatività Generale si fonda sul fatto che –secondo tutti gli esperimenti da Galileo ad oggi–
in un campo gravitazionale tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione indipendentemente dalla
loro massa e composizione. Si chiama universalità della caduta libera, e anche principio di equivalenza
debole. La gravità è l’unica forza a godere di questa proprietà che la rende inconciliabile con tutte
le altre. Se un esperimento ne dimostrasse inequivocabilmente la violazione, delle due l’una: o la
Relatività Generale deve essere modificata, oppure siamo in presenza di una nuova forza della natura.
In ogni caso, sarebbe una rivoluzione scientifica. Per questo occorre verificare l’universalità della caduta
libera quanto più precisamente possibile, il che richiede di far volare dentro un satellite in orbita bassa
attorno alla Terra uno strumento sensibile a piccolissime differenze di forza. Il miglioramento rispetto
agli esperimenti fatti finora sarebbe di diversi ordini di grandezza, spingendosi in un terreno della fisica
totalmente inesplorato e aumentando quindi la possibilità di trovare una violazione. D’altro canto,
una ulteriore verifica a tali livelli di precisione costituirebbe una pietra miliare con cui ogni tentativo
di superare l’impasse attuale dovrebbe confrontarsi.
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