Le onde gravitazionali dovrebbero distorcere permanentemente lo spaziotempo

Il primo rilevamento di onde gravitazionali nel 2016 ha fornito una conferma decisiva della teoria della relatività generale di Einstein. Ma un’altra stupefacente previsione rimane non confermata: secondo la relatività generale, ogni onda gravitazionale dovrebbe lasciare un’impronta indelebile sulla struttura dello spaziotempo. Dovrebbe sollecitare permanentemente lo spazio, spostando gli specchi di un rilevatore di onde gravitazionali anche dopo che l’onda è passata.

Da quel primo rilevamento quasi sei anni fa, i fisici hanno cercato di capire come misurare questo cosiddetto “effetto memoria”.

“L’effetto memoria è assolutamente un fenomeno strano e strano”, ha detto Paul Lasky, un astrofisico della Monash University in Australia. “È roba davvero profonda.”

I loro obiettivi sono più ampi del semplice intravedere le cicatrici permanenti dello spaziotempo lasciate da un’onda gravitazionale che passa. Esplorando i collegamenti tra materia, energia e spazio-tempo, i fisici sperano di arrivare a una migliore comprensione del problema di Stephen Hawking paradosso dell’informazione del buco nero, che è stato uno dei principali obiettivi della ricerca teorica per cinque decenni. “C’è un’intima connessione tra l’effetto memoria e la simmetria dello spaziotempo”, ha detto Kip Thorne, un fisico del California Institute of Technology il cui lavoro sulle onde gravitazionali gli è valso parte del Premio Nobel per la Fisica 2017. “È collegato in definitiva alla perdita di informazioni nei buchi neri, un problema molto profondo nella struttura dello spazio e del tempo”.

Una cicatrice nello spaziotempo

Perché un’onda gravitazionale dovrebbe cambiare in modo permanente la struttura dello spaziotempo? Si tratta dell’intimo legame tra spazio-tempo ed energia della relatività generale.

Consideriamo prima cosa succede quando un’onda gravitazionale passa vicino a un rivelatore di onde gravitazionali. Il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha due bracci posizionati a forma di L. Se immagini un cerchio che circoscrive le braccia, con il centro del cerchio all’intersezione delle braccia, un’onda gravitazionale distorce periodicamente il cerchio, schiacciandolo verticalmente, poi orizzontalmente, alternandosi fino a quando l’onda non è passata. La differenza di lunghezza tra i due bracci oscillerà, comportamento che rivela la distorsione del cerchio e il passaggio dell’onda gravitazionale.

Secondo l’effetto memoria, dopo il passaggio dell’onda, il cerchio dovrebbe rimanere permanentemente deformato di una piccola quantità. Il motivo ha a che fare con le particolarità della gravità descritte dalla relatività generale.

Gli oggetti rilevati da LIGO sono così lontani che la loro attrazione gravitazionale è trascurabilmente debole. Ma un’onda gravitazionale ha una portata più lunga della forza di gravità. Lo stesso vale per la proprietà responsabile dell’effetto memoria: il potenziale gravitazionale.

In semplici termini newtoniani, un potenziale gravitazionale misura quanta energia guadagnerebbe un oggetto se cadesse da una certa altezza. Lascia cadere un’incudine da una scogliera e la velocità dell’incudine in fondo può essere utilizzata per ricostruire l’energia “potenziale” che la caduta dalla scogliera può impartire.

Ma nella relatività generale, dove lo spaziotempo è allungato e schiacciato in direzioni diverse a seconda dei movimenti dei corpi, un potenziale detta più della semplice energia potenziale in un luogo: detta la forma dello spaziotempo.

“La memoria non è altro che il cambiamento nel potenziale gravitazionale”, ha detto Thorne, “ma è un potenziale gravitazionale relativistico”. L’energia di un’onda gravitazionale che passa crea un cambiamento nel potenziale gravitazionale; quel cambiamento di potenziale distorce lo spaziotempo, anche dopo che l’onda è passata.

In che modo, esattamente, un’onda che passa distorce lo spaziotempo? Le possibilità sono letteralmente infinite e, sconcertante, anche queste possibilità si equivalgono l’una all’altra. In questo modo, lo spaziotempo è come un gioco infinito di Boggle. Il classico gioco Boggle ha 16 dadi a sei facce disposti in una griglia quattro per quattro, con una lettera su ciascun lato di ciascun dado. Ogni volta che un giocatore scuote la griglia, i dadi rimbalzano e si sistemano in una nuova disposizione di lettere. La maggior parte delle configurazioni sono distinguibili l’una dall’altra, ma tutte sono equivalenti in un senso più ampio. Sono tutti a riposo nello stato di energia più bassa in cui potrebbero trovarsi i dadi. Quando un’onda gravitazionale passa attraverso, scuote la tavola cosmica di Boggle, cambiando lo spaziotempo da una configurazione traballante a un’altra. Ma lo spaziotempo rimane nel suo stato di energia più bassa.

Super Simmetrie

Quella caratteristica – che puoi cambiare il tabellone, ma alla fine le cose rimangono fondamentalmente le stesse – suggerisce la presenza di simmetrie nascoste nella struttura dello spaziotempo. Nell’ultimo decennio, i fisici hanno esplicitamente stabilito questa connessione.

La storia inizia negli anni ’60, quando quattro fisici volevano capire meglio la relatività generale. Si chiedevano cosa sarebbe successo in un’ipotetica regione infinitamente lontana da tutta la massa e l’energia dell’universo, dove l’attrazione della gravità può essere trascurata, ma la radiazione gravitazionale no. Hanno iniziato osservando le simmetrie a cui questa regione obbediva.

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