introduzione

La forza gravitazionale è nota all’uomo sin dall’origine della vita, nella sua veste di forza peso, che ci vincola alla superficie terrestre. Nel secolo scorso l’uomo si è accorto dell’esistenza di altre due forze, quella elettrica e quella magnetica, le quali, come ha evidenziato Maxwell, in realtà erano da considerare come due aspetti diversi di una stessa forza, detta elettromagnetica. In questo secolo l’ulteriore sviluppo della tecnologia ha reso possibile lo studio di altri fenomeni, per spiegare i quali è stato necessario ipotizzare l’esistenza di due ulteriori forze: la forza nucleare e quella debole; nel 1976 è stata formulata l’ipotesi, tuttora ritenuta corretta, che la forza debole è in realtà interpretabile come un diverso aspetto della forza elettromagnetica.

Pertanto oggi si è a conoscenza di tre forze fondamentali: la forza gravitazionale, quella elettrodebole e quella nucleare. Paradossalmente, di queste tre forze quella gravitazionale è la meno nota, pur essendo la più antica; la causa di questa “stranezza” sta nel fatto che essa è la meno forte delle tre e pertanto, nell’esecuzione di un esperimento, i suoi effetti vengono mascherati da quelli dovuti alle altre due forze. Soltanto se si considerano corpi di grandi dimensioni, come i corpi celesti, la forza gravitazionale diventa predominante. Ciò accade perché la forza elettrodebole è dovuta a cariche elettriche sia positive che negative, le quali su un corpo di grandi dimensioni statisticamente si annullano; la forza nucleare invece ha un raggio d’azione molto limitato ed a grandi distanze il suo valore risulta trascurabile.

Un grande passo in avanti nella comprensione della forza gravitazionale è stato compiuto nel 1916 con la presentazione della teoria della Relatività Generale, nella quale la forza gravitazionale, causa del moto dei corpi celesti, viene interpretata in termini di curvatura dello spazio-tempo quadridimensionale; secondo Einstein questa curvatura è determinata dalla massa gravitazionale propria dei corpi. In caso di assenza di materia la curvatura è nulla ed allora lo spazio si dice piatto; in questa situazione valgono localmente le leggi della geometria di Euclide. Le equazioni della relatività generale permettono di trovare la metrica ed il grado di curvatura dello spazio-tempo, attraverso la quale si possono calcolare le traiettorie dei corpi celesti. 
Una soluzione semplice delle equazioni fu trovata dallo stesso Einstein nei suoi lavori del 1916: tale soluzione esprime il fatto che grandi masse accelerate debbano irraggiare campi gravitazionali, che si trasmettono da un punto all’altro dello spazio come onde che si muovono alla velocità della luce. L’arrivo di un’onda gravitazionale in una regione dello spazio produce una curvatura, agendo con un’intensità pari a h=2*L/d (dove d rappresenta la distanza tra due masse-campione e L la sua variazione). In realtà Einstein non aveva un’idea molto chiara del meccanismo di propagazione delle onde gravitazionali e dell’entità del loro effetto sulla materia, ma aveva comunque intuito l’esistenza di una forma di propagazione di energia del tutto sconosciuta all’epoca. 

La previsione dell’esistenza di onde gravitazionali è per la Relatività Generale molto importante: riuscire a rilevare onde di questo tipo permetterebbe alla fisica di dare un’ulteriore conferma della validità di questa teoria. Inoltre, dato che le onde gravitazionali, al pari dei neutrini, possiedono un alto potere di penetrazione della materia, durante il loro cammino interstellare non possono in pratica venire bloccate dalla materia; di conseguenza è augurabile la nascita di una “astronomia gravitazionale”, da affiancare alle astronomie che si basano sullo studio dell’emissione cosmica sulle bande dello spettro elettromagnetico: le nostre attuali “finestre d’indagine” sull’universo, le astronomie radio, X, gamma e del campo del visibile, potranno essere coadiuvate da un potente mezzo che ci metterà in grado di “vedere” e capire meglio molti processi che tuttora rimangono non osservabili. Ad esempio renderà possibile osservare l’attività dei buchi neri che, non emettendo radiazione elettromagnetica, risultano per ora invisibili all’osservazione astronomica. 

L’interpretazione dei segnali gravitazionali sarà anche l’unico mezzo che ci potrà permettere di rilevare la quantità di massa oscura presente nell’universo; così, finalmente, saremo in grado di capire l’origine del cosmo e la sua probabile evoluzione.