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Ricerca italo-americana misura un effetto previsto da Einstein, il Lense-Thirring o frame dragging

  Autore: n/a

  domenica 17 dicembre 2006 ore: 00:00:00 - letto [ 3907 ]

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Pubblicata su Nature la prima accurata verifica sperimentale di un effetto previsto dalla relativitÓ generale e cercato per oltre 85 anni

Dopo ottantacinque anni di tentativi, Ŕ stato per la prima volta misurato con buona accuratezza un debole effetto previsto dalla teoria della relativitÓ di Albert Einstein. Si tratta dell'effetto chiamato 'Lense-Thirring', dai nomi dei ricercatori che nel 1918 derivarono matematicamente il fenomeno come conseguenza delle equazioni di Einstein. Da allora la verifica sperimentale dell'effetto Lense-Thirring, il quale pu˛ anche essere chiamato 'trascinamento dei sistemi di riferimento', Ŕ stata una delle massime sfide della ricerca sperimentale in gravitazione. Sul numero di Nature del 21 ottobre Ŕ stato dato l'annuncio della sua accurata misura avvenuta grazie a un gruppo di ricerca internazionale guidato dai fisici Ignazio Ciufolini, del Dipartimento d'Ingegneria dell'Innovazione dell'UniversitÓ di Lecce, e Erricos Pavlis, dell'UniversitÓ del Maryland.

L'effetto Lense-Thirring o 'frame dragging' Ŕ lo stesso fenomeno che dovrebbe essere accuratamente misurato dalla missione Gravity Probe B lanciata ad aprile della NASA. Il lavoro dei ricercatori italiani e americani Ŕ stato per˛ ottenuto semplicemente grazie ai dati disponibili a chiunque con l'uso di internet attraverso un sito della NASA.

Ma cosa Ŕ l'effetto Lense-Thirring? Per capirlo, occorre in primo luogo ricordare che, secondo la teoria della relativitÓ generale, lo spazio-tempo viene curvato dai corpi dotati massa, proprio come un telo elastico si incurva se si appoggia su di esso un oggetto pesante. Se il corpo Ŕ in movimento, lo spazio-tempo subisce una ulteriore curvatura. E cosa avviene se il corpo di grande massa si muove ruotando su sÚ stesso? In questo caso lo spazio-tempo si deforma in modo particolare, un po' come un telo sopra il quale giri una pesante trottola il cui movimento distorce e trascina in parte il telo stesso: Ŕ l'effetto Lense-Thirring.

L'effetto Lense-Thirring, ha conseguenze affascinanti e sorprendenti. La pi¨ paradossale Ŕ probabilmente l'alterazione dello scorrere del tempo intorno ad un oggetto che ruota. Immaginiamo che due gemelli girino lentamente, e ciascuno in direzione opposta, intorno a un oggetto centrale rotante. Dopo mezzo giro, quando si incontreranno di nuovo, a causa dell'effetto di trascinamento dei sistemi di riferimento, uno dei due sarÓ pi¨ giovane dell'altro! In particolare, il gemello che ruota in verso opposto rispetto alla rotazione del corpo centrale sarÓ pi¨ giovane rispetto all'altro gemello che ruota nello stesso verso. ╚ importante osservare che, contrariamente a quanto accade nel famoso paradosso dei gemelli della relativitÓ ristretta, in questo caso non Ŕ necessario che le due persone viaggino a velocitÓ vicine a quella della luce: Ŕ sufficiente che camminino in direzioni opposte intorno al corpo centrale, purchÚ questo corpo sia in rotazione.

A rendere tanto difficile la misurazione diretta e accurata dell'effetto Lense-Thirring Ŕ stata naturalmente la sua estrema debolezza. Per eseguire la misura, Ciufolini, Pavlis e i loro collaboratori si sono serviti di piccoli satelliti sferici del diametro di circa 60 centimetri e del peso di circa 400 kg. Si tratta di strumenti totalmente passivi, e dunque dal costo molto contenuto, la cui orbita intorno alla Terra viene per˛ individuata con estrema precisione grazie a un procedimento concettualmente piuttosto semplice. I satelliti infatti recano sulla loro superficie specchi fatti in modo da riflettere la luce rimandandola esattamente nella direzione da cui proviene. Da Terra, viene inviato verso i satelliti un fascio di luce laser: misurando il tempo che essa impiega ad essere riflessa indietro e conoscendo la velocitÓ della luce, Ŕ possibile individuare con la massima precisione la posizione del satellite stesso. In questo modo, si Ŕ potuto verificare che i satelliti subiscono una variazione dell'orbita pari a circa due metri l'anno: un valore misurato che differisce solo dell'1% da quello previsto dalla relativitÓ generale per l'effetto Lense-Thirring, il quale nel nostro caso Ŕ dovuto al fatto che i satelliti girano intorno alla Terra, cioŔ a un corpo in rotazione intorno al proprio asse. La misura, reca un errore sperimentale molto contenuto, pari a circa il 5%.

Negli anni 1996-2000, Ciufolini aveva ottenuto una prima misura dell'effetto Lense-Thirring, sempre con il sistema dei satelliti, ma il risultato conteneva la possibilitÓ di un errore molto alto a causa di incertezze nella misura del campo gravitazionale della Terra (dovute al fatto che il nostro pianeta non Ŕ perfettamente tondo). Oggi questo problema Ŕ stato risolto grazie a dati forniti dalle missione Grace, della Nasa.

Per il futuro, nel prossimo anno si attendono i risultati di un esperimento della Nasa chiamato Gravity Probe B, il quale si propone di misurare l'effetto Lense-Thirring con un errore di circa l'1%. Gravity Probe B Ŕ uno degli esperimenti pi¨ costosi della storia (il suo costo stimato Ŕ di 700 milioni di dollari) ed Ŕ stato lanciato nell'aprile di quest'anno dopo circa 40 anni di progettazione.

Contemporaneamente, Ciufolini, in collaborazione con ricercatori del Dipartimento d'Ingegneria Aerospaziale dell'UniversitÓ di Roma, dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e delle UniversitÓ del Maryland e del Texas ad Austin, ha in preparazione un satellite di nuova concezione ma di bassissimo costo, chiamato Weber-Sat, il quale potrÓ migliorare l'attuale misura dell'effetto Lense-Thirring di circa dieci volte. Inoltre questo gruppo internazionale sta anche studiando la possibilitÓ di arrivare per la prima volta ad una sensibilitÓ in grado di misurare nell'orbita del Weber-Sat l'eventuale effetto di una teoria unificata delle interazioni fondamentali chiamata teoria delle brane, variante della teoria delle stringhe. Questa teoria delle brane permetterebbe di spiegare fenomeni come le osservazioni cosmologiche delle supernove che accelerano e l'eventuale misteriosa forma di energia, chiamata energia oscura, che Ŕ stata ipotizzata costituire la maggioranza della massa-energia dell'universo in cui viviamo.



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