Quindi, gli scienziati hanno scoperto le onde gravitazionali - increspature dello spazio-tempo. Albert Einstein ne suggerì l'esistenza 100 anni fa e l'osservazione diretta fornì la prova finale del capolavoro del grande scienziato: la relatività generale. Gli scienziati del Caltech e del MIT hanno scoperto un'onda gravitazionale generata da due buchi neri in collisione.
Einstein non è stato sempre considerato un genio. Quando ha espresso per la prima volta i suoi dubbiosi pensieri sulla relatività, alcuni scienziati hanno organizzato proteste. Altri semplicemente denigrarono Einstein sulla stampa, accusandolo sia di idee pericolose che di origini ebraiche.
Ma il lavoro dello scienziato ha capovolto la fisica fin dalle sue fondamenta. L'universo di Einstein gioca in modo rapido e naturale con i concetti di posizione e velocità, ad eccezione della luce, che spazza sempre nel vuoto a 300 milioni di metri al secondo. Lo spazio e il tempo si mescolano in una melassa quadridimensionale chiamata spazio-tempo, che può allungare e piegare materia, materia, massa. E la materia in movimento segue le curve dello spazio-tempo, una geometria nascosta che percepiamo come gravità.
Sembra una sciocchezza.
Ma negli ultimi 100 anni, gli esperimenti si sono dimostrati più e più volte: Einstein ha ragione. La sua teoria è stata dimostrata troppe volte per elencare qui tutte queste volte, ma anche i casi più eclatanti sono impressionanti.
La luce è sia un'onda che una particella
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Il nome di Einstein è spesso associato alla relatività, ma ha vinto il Premio Nobel per il suo lavoro sulla luce. La fisica classica postulava che la luce fosse un'onda, ma questa teoria non poteva spiegare come e perché i metalli emettono elettroni quando sono illuminati: questo fenomeno è chiamato effetto fotoelettrico.
Einstein ha spiegato questo strano comportamento suggerendo che la luce è in realtà costituita da pacchetti d'onda discreti (fotoni) con energie associate alla loro frequenza. Questa scoperta ha portato all'emergere della fisica quantistica, in cui tutti gli atomi si comportano in uno strano modo ondulatorio, ed Einstein ha contribuito a realizzare questa scoperta.
Lo spaziotempo può piegarsi
La prima grande vittoria di Einstein nella relatività generale arrivò quando spiegò la misteriosa oscillazione nell'orbita di Mercurio. Nel 1859, il brillante astronomo francese Urbain Le Verrier attribuì questo effetto a un pianeta mai visto prima chiamato Vulcano, dicono, attrae Mercurio. Ma anni di ricerche non hanno portato a nulla, nessuno ha trovato alcun Vulcaniano.
Con grande gioia di Einstein, la sua nuova teoria della relatività portò Vulcano in piedi, dimostrando che la massa del Sole si piega vicino allo spaziotempo, proprio come una palla da bowling piegherebbe una superficie elastica ma morbida. Poiché Mercurio è così vicino al Sole, la sua orbita oscillante è il percorso più vicino attraverso lo spaziotempo curvato dalla massa del Sole. Non c'è e non c'era nessun altro pianeta: è tutta una questione di geometria dell'universo, che Newton non sospettava.
Lo spaziotempo può essere una "lente"
Einstein aveva di nuovo ragione nel maggio 1919 durante un'eclissi solare totale. Secondo la teoria della relatività, lo spazio-tempo, curvato dalla massa del sole, piegherà la luce delle stelle in arrivo come una lente.
L'astronomo britannico Arthur Eddington ha scattato grandi immagini dell'eclissi e ha scoperto che il Sole aveva allungato l'ammasso stellare di Iadi, piegando la luce delle singole stelle di circa un duemilionesimo di grado - secondo la previsione di Einstein, che ha raddoppiato la curvatura prevista dalla fisica newtoniana.
Anche Einstein non si aspettava quanto sarebbe stato utile questo fenomeno per gli astronomi: usando le galassie stesse come lenti giganti, gli astronomi possono guardare nel passato, nei primi anni dell'universo. E quando gli astronomi vedono che la lente è causata da alcune masse invisibili, consente loro di mappare vaste aree di materia oscura.
La rotazione delle masse altera lo spazio-tempo
Non solo la materia deforma lo spazio-tempo, come la palla da bowling, ma le masse rotanti come la Terra trascinano facilmente lo spazio intorno a loro, come un cucchiaio nella melassa. Ciò influisce sulle orbite dei satelliti più vicini: il bizzarro effetto del trascinamento di sistemi di riferimento inerziali, l'effetto Lense-Thirring.
Predetto nel 1918 dalla relatività generale, l'effetto Lense-Thirring è stato confermato nel 2004 quando gli scienziati hanno scoperto che la rotazione della Terra spostava facilmente le orbite di due satelliti. Nel 2011, la sonda Gravity Probe B della NASA ha confermato la scoperta e perfezionato i numeri.
La gravità rallenta il tempo
Le equazioni di Einstein danno anche alla materia la capacità di accelerare o rallentare il tempo e di cambiare il colore della luce.
Possiamo osservare che questa strana previsione è corretta anche dalla Terra: la luce di stelle lontane assume frequenze più alte - o sembra più blu - di quanto vedrebbe un osservatore nello spazio profondo. E più ci si allontana dal pozzo gravitazionale della Terra, minore e minore è la frequenza che riceve la luce emessa dalla Terra, obbedendo all'effetto del redshift gravitazionale.
Dopotutto, anche il tuo smartphone non può ignorare la teoria della relatività: senza correzioni relativistiche, gli orologi sui satelliti GPS scandirebbero ogni giorno 38 microsecondi più velocemente che sulla superficie terrestre, distruggendo la precisione del sistema dopo due minuti e aggiungendo 10 chilometri di errori al giorno.
