Un miliardo di anni fa (beh, dare o prendere) in una galassia lontana, molto lontana, due buchi neri eseguirono un pas de deux di balletto cosmico. Si girarono in cerchio, avvicinandosi gradualmente sotto l'influenza della gravità reciproca, finché non si scontrarono e si fusero. Come risultato di una tale collisione, si è verificato un colossale rilascio di energia, equivalente a tre volte la massa del nostro sole. La convergenza, la collisione e la fusione di due buchi neri hanno gettato nello scompiglio il continuum spazio-temporale circostante e hanno inviato potenti onde gravitazionali in tutte le direzioni alla velocità della luce.
Quando queste onde hanno raggiunto la nostra Terra (ed era la mattina del 14 settembre 2015), il ruggito un tempo potente di proporzioni cosmiche si è trasformato in un gemito appena udibile. Tuttavia, due enormi macchine lunghe diversi chilometri (rilevatori del Laser Interferometric Observatory of Gravitational Waves PIOGV), situate negli stati della Louisiana e Washington, hanno registrato tracce facilmente riconoscibili di queste onde. Martedì, tre leader del progetto PIOGV di lunga data - Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne - hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica per questo risultato.
Questa scoperta è in corso da molto tempo, sia sulla scala temporale umana che sull'orologio astronomico. Il Dr. Weiss, il Dr. Thorn e il Dr. Barish e colleghi hanno lavorato al loro progetto per diversi decenni. Migliaia di persone che lavorano in cinque continenti sono state coinvolte nella scoperta del 2015. Questo progetto esemplifica una visione strategica del futuro da parte di scienziati e responsabili politici, che è lontana da noi quasi quanto questi buchi neri in collisione.
Alla fine degli anni '60, il dottor Weiss ha tenuto un corso di fisica senior presso il Massachusetts Institute of Technology. Qualche anno prima, il fisico Joseph Weber aveva annunciato di aver rilevato onde gravitazionali utilizzando uno strumento con antenne cilindriche in alluminio. Tuttavia, Weber non è riuscito a convincere gli scettici. Il dottor Weiss ha assegnato ai suoi studenti un compito a casa per trovare un altro modo per rilevare le onde. (Studenti, prendete nota: a volte i compiti sono precursori di un premio Nobel.) Ma cosa succede se provi a rilevare le onde gravitazionali studiando attentamente i più piccoli cambiamenti nell'interferenza dei raggi laser che viaggiano lungo percorsi diversi e poi riconnettersi nel rivelatore?
In teoria, le onde gravitazionali dovrebbero allungarsi e contrarsi nello spazio, muovendosi attraverso di esso. Il dottor Weiss ha ipotizzato che un tale disturbo cambierebbe la lunghezza del percorso di uno dei raggi laser, a causa della quale i due raggi saranno fuori sincrono nel momento in cui raggiungono il rilevatore, e dalla differenza nella desincronizzazione sarà possibile determinare i modelli di interferenza.
L'idea era audace e rivoluzionaria. E questo è un eufemismo. Per catturare onde gravitazionali di ampiezza prevista utilizzando la tecnica di interferenza, i fisici dovevano rilevare una differenza di distanza che era una parte su mille miliardi di miliardi. È come misurare la distanza tra la Terra e il Sole sulla scala di un singolo atomo, mentre si monitorano tutte le altre fonti di vibrazione ed errore che possono sopprimere un segnale così debole.
Non sorprende che il dottor Thorne, che è diventato uno dei vincitori del Premio Nobel quest'anno, abbia posto il problema come compito a casa nel suo libro di testo del 1973. Ha portato gli studenti alla conclusione che l'interferometria come metodo per rilevare le onde gravitazionali non fosse valida. (Ok, signori, studenti, a volte non dovete fare i compiti.) Ma con uno studio più approfondito di questo problema, il dottor Thorne è diventato uno dei più forti sostenitori del metodo interferometrico.
Convincere il dottor Thorn è stato più facile che ottenere finanziamenti e attirare studenti al lavoro. La National Science Foundation nel 1972 ha respinto la prima proposta del Dr. Weiss. Nel 1974 fa una nuova proposta e riceve un finanziamento per lo studio di progettazione. Nel 1978, il Dr. Weiss notò nella sua domanda di finanziamento: "Gradualmente, mi resi conto che questo tipo di ricerca è meglio svolto da scienziati indiscutibili e forse stupidi, così come da giovani studenti laureati con tendenze avventurose".
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L'ambito del progetto si è gradualmente ampliato. Gli enormi bracci dell'interferometro dovevano ora estendersi per diversi chilometri, non metri, ed essere dotati delle più moderne ottiche ed elettroniche. Allo stesso tempo, il budget e il team di ricerca sono cresciuti. La realizzazione di questo complesso progetto richiedeva ora non solo una profonda conoscenza della fisica, ma anche abilità politiche. Ad un certo punto, i tentativi di costruire uno di questi grandi rilevatori nel Maine fallirono a causa di rivalità politiche e accordi dietro le quinte di apparati del Congresso. Questo ha insegnato agli scienziati che ci sono più interferenze dei raggi laser.
Sorprendentemente, la National Science Foundation ha approvato il finanziamento per PIOGV nel 1992. È stato il progetto più costoso della fondazione, come rimane fino ad oggi. Il momento era giusto: dopo il crollo dell'Unione Sovietica alla fine del 1991, i fisici si resero subito conto che gli argomenti della Guerra Fredda a favore della ricerca scientifica al Congresso non erano più validi.
Fu in questo periodo che le tattiche di bilancio negli Stati Uniti entrarono in una nuova fase. Ora, nella pianificazione di progetti a lungo termine, era necessario tenere conto delle frequenti minacce di sospensione delle attività degli enti statali (a volte venivano eseguite). Ciò ha complicato la situazione del budget poiché l'attenzione era ora su progetti a breve termine che promettevano risultati rapidi. Se un progetto come PIOGV venisse proposto oggi, è difficile immaginare che riceverebbe approvazione.
Tuttavia, PIOGV dimostra alcuni vantaggi di un approccio a lungo termine. Questo progetto esemplifica la stretta relazione tra scienza e istruzione che va ben oltre i compiti a casa. Molti studenti e laureati del team PIOGV sono diventati coautori di un articolo storico sulle onde rilevate. Dal 1992, quasi 600 dissertazioni sono state scritte nell'ambito di questo progetto solo negli Stati Uniti, che sono state preparate da scienziati di 100 università e 37 stati. La ricerca scientifica è andata ben oltre la fisica e ora comprende aree come la progettazione ingegneristica e lo sviluppo di software.
PIOGV mostra cosa possiamo ottenere guardando oltre l'orizzonte e non rimanendo bloccati su bilanci e rapporti annuali. Costruendo macchine altamente sensibili, istruendo giovani scienziati e ingegneri intelligenti e dedicati, possiamo testare la nostra comprensione fondamentale della natura con una precisione senza precedenti. Tali sforzi portano spesso a miglioramenti nelle tecnologie utilizzate nella vita quotidiana: il sistema di navigazione GPS è stato creato come parte del lavoro per testare la teoria della relatività generale di Einstein. È vero, tali scoperte inaspettate sono difficili da prevedere. Ma con pazienza, perseveranza e fortuna, possiamo guardare nelle profondità più intime dell'universo.
David Kaiser è professore e docente di fisica e storia della scienza presso il Massachusetts Institute of Technology. Ha collaborato con W. Patrick McCray per il montaggio di Groovy Science: Knowledge, Innovation, and the American Counterculture.
