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Gravità e l'età dell'universo - Vittorio Canuto -
Nel 1937, il grande fisico teorico inglese P.A.M. Dirac (che un decennio prima aveva proposto l'esistenza dell'antimateria puntualmente scoperta pochi anni dopo), si chiese perché l'attrazione gravitazionale fra l'elettrone ed il protone in un ATOMO di IDROGENO sia 10 alla 40 volte (uno seguito da quaranta zeri) più debole dell'attrazione elettrica.
Da dove scaturisce un numero così astronomico? È scritto nelle leggi della fisica o è una coincidenza? Con il genio per le soluzioni più inaspettate, Dirac vide in questa domanda, apparentemente innocua, uno spiraglio verso orizzonti ben più estesi. Infatti, se misuriamo l'età dell'Universo non in anni (unità astronomica), ma in unità di tempo atomiche (per esempio, il tempo impiegato dalla luce per attraversare un elettrone), troveremo che tale età è di dieci alla quaranta.
Riappare lo stesso numero in modo del tutto inaspettato. Su questa base, Dirac fece la sua famosa proposta: la gravità è oggi così debole non perché sia scritto nelle leggi della fisica ma perché la misuriamo oggi, quando l'universo è vecchio, un accidente quindi, non una sostanza, come avrebbe detto Aristotele.
Se vessimo fatto la stessa misura due miliardi di anni fa, la disparità fra forze elettriche e gravitazionali sarebbe risultata assai minore. Cioè, la costante gravitazionale di Newton G decrescerebbe perche’ l'Universo invecchia.
E.Teller, noto fra l'altro per aver "inventato" la bomba all'idrogeno, prese sul serio l'idea di Dirac e portò il ragionamento un passo più avanti.
Se G era più grande nel passato, una stella come il sole, onde compensare per la maggior tendenza ad implodere, avrebbe dovuto contrapporre una maggior pressione dall'interno, il che significa una mggiore temperatura al suo centro.
Ma poiché il tasso a cui avvengono le reazioni nucleari nelle stelle dipende in modo estremamente sensibile dalla temperatura, l'idrogeno solare avrebbe bruciato molto più in fretta.
Oggi il sole dovrebbe essere una gigante rossa, ma non lo è. Ergo, Dirac ha torto.
Nel 1974, invitai Dirac a New York e lì cominciò una collaborazione che durò fino alla su morte, il 20 ottobre 1984. Prima di tutto, si studiò in dettaglio il lavoro di Teller e si scoprì che mentre il ragionamento era qualitativamente corretto, non lo era quantitativamente.
Il sole non deve affatto essere una gigante rossa. Dimostrammo altresì che l'idea di Dirac (una nuova cosmologia se volete) non contraddiceva alcun dato astrofisico, geologico o cosmologico.
Dimostrammo cioè che l'idea di Dirac era perfettamente compatibile con quanto conosciamo. Tutto ciò non implicava però che tale idea fosse necessaria. Per questo, era necessario un ulteriore test, quello definitivo.
Nel 1976, la sonda americana Viking arrivò su Marte permettendo quindi tutta una serie diprecisissime misure sul tempo impiegato da un'onda radio per percorrere la distanza Terra-Marte.
Qualora la gravità cambiasse nel tempo, il tempo impiegato dai fotoni per andare e tornare sarebbe cambiato nel tempo. In collaborazione con colleghi del JPL (Jet Propulsion Laboratory) di Pasadena, analizzammo sette anni di dati. Il risultato? G non mostrò alcuna variazione nel tempo.
Grande delusione nostra e di Dirac il qulae, pur accettando il verdetto, rimase fermamente convinto della bellezza, semplicità e quindi, diceva lui, correttezza dell'idea originale.
Ma cosa vuol dire una variazione nel tempo di G?
Alcuni hanno sostenuto che tale variazione contraddice le equazioni di Eistein. Falso. Infatti, in natura esistono due tipi di orologi: quelli gravitazionali, (come il moto della terra attorno al sole, della luna attorno alla terra, etc etc), che furono usati dall'umanità' dagli albori fino alla metà di questo secolo.
Orologi che non hanno nulla a che vedere con la fisica atomica. Infatti, la loro "molla" è appunto G ed i moti gravitazionali sono governati dalle equazioni di Einstein con G costante.
C'è però un secondo tipo di orologi, quelli basati su fenomeni atomici: in questo caso la molla è fatta di e, m, h, la carica e massa dell'elettrone, la costante di Planck etc. In questo sistema atomico, le equazioni di Maxwell, Dirac, Schrodinger, etc rimangono intatte.
L'idea di Dirac era molto semplice: non esiste alcuna legge della fisica o esperimento che dimostri che questi due tipi di orologi debbano essere sincronizzati durante l'espansione dell'Universo.
Quello che Dirac proponeva era una nuova relatività dei tempi, non più basata sul moto relativo dei due osservatori, come in relatività speciale ma dovuta al fatto che l'Universo che ci circonda ha un effetto sui fenomeni locali, il Principio di Mach, appunto.
È chiaro che tanto come gli orologi gravitazionali possono variare rispetto ad orologi atomici, gli orologi atomici possono variare rispetto ad orologi gravitazionali, Ma poiché usiamo quasi esclusivamente orologi atomici, parliamo quasi sempre di variazioni di G.
Il nostro esperimento dimostrò che tale variazione non esiste. Ma perché si chiese Dirac? Perché proprio così? Mi venne in mente un detto, forse apocrifo, attributo a Sir A. Eddington: “if an experiment does not fit a theory, do it over”. Ma qui non credo si applichi. Orologi gravitazionali ed orologi atomici, chi vi ha sincronizzati?