Le stelle non sono dove sembrano essere

Nel 1687, nei Principia mathematica philosophiae naturalis, Isaac Newton aveva enunciato il principio di gravitazione universale: “due corpi si attraggono con una forza che è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza”.
Questa descrizione si basa su un approccio empirico: Newton non aveva cercato spiegazioni della natura della gravità, ma dedotto le proprietà dai fenomeni osservabili.

A partire dal 1905, anno di pubblicazione della teoria della relatività ristretta, la ricerca dell’essenza e delle cause della gravità divenne il tema centrale del lavoro di Albert Einstein.
In uno dei suoi famosi “esperimenti ideali”, Einstein immaginò un ipotetico (e sfortunato) osservatore, posto all’interno di un ascensore in caduta libera. In tali condizioni, l’osservatore non avverte il suo peso: su di lui la forza di gravità sembra non agire. Un altro esperimento riguardava un astronauta nello spazio, in assenza di gravità. L’astronauta è privo di peso, ma inizia a sentirlo se la capsula si mette a ruotare su se stessa. Egli rimane incollato alle pareti interne, e ciò che avverte è indistinguibile dalla forza di gravità: con un’opportuna velocità di rotazione, non si accorge della differenza rispetto alla Terra.
Ma allora, se un’accelerazione è indistinguibile dalla gravità (viene cioè percepita allo stesso modo), è possibile che le due entità fisiche siano imparentate, nascondano la stessa intima natura. Einstein prese ad indagare in questa direzione.

Nella teoria della relatività generale, pubblicata nel 1915, Einstein proponeva un radicale mutamento di paradigma: la gravità non doveva essere considerata una mera interazione tra corpi dotati di massa, bensì la manifestazione di una proprietà geometrica intrinseca dello spazio (spazio-tempo, secondo Einstein). Una massa incurva lo spazio (spazio-tempo) circostante e tale curvatura è percepita come gravità da un altro corpo che si trovi nelle vicinanze. Nel movimento dei pianeti intorno al Sole, quelle che a noi appaiono come orbite ellittiche sono i percorsi più brevi in uno spazio (spazio-tempo) incurvato dalla presenza della stella.
Rispetto al modello newtoniano c’erano novità non da poco. Ad esempio, se una massa deforma lo spazio modificandone le proprietà geometriche, questo dovrebbe aver effetto non solo sui corpi materiali (sotto forma di attrazione gravitazionale), ma anche sulle onde elettromagnetiche. Anche la propagazione della luce, quindi, dovrebbe risentire della presenza di corpi massicci nelle vicinanze.

Fin qui la teoria. Ma come verificarla? Si trattava di affermazioni decisamente controintuitive: nella nostra esperienza quotidiana tutto sembra suggerirci che lo spazio è piatto e la luce si propaga in linea retta. Eppure, di lì a qualche anno, questa teoria avrebbe avuto una clamorosa conferma dai fatti.
Un’occasione favorevole per verificare le previsioni di Einstein era l’eclisse totale di Sole che ci sarebbe stata nella primavera del 1919, visibile in alcune regioni equatoriali. Nei pochi minuti di oscuramento, si sarebbero potute verificare le posizioni apparenti delle stelle più brillanti vicino al Sole, e confrontarle con le posizioni delle stesse stelle in una qualunque notte dell’anno, quando il Sole non era d’ingombro.
In particolare, c’era un gruppetto stelle abbastanza brillanti nella costellazione del Toro, le Iadi, che al momento dell’eclisse si sarebbero trovate proprio di fianco al Sole.
Se Einstein aveva ragione, il campo gravitazionale del Sole avrebbe deviato la luce proveniente dalle Iadi, cambiando seppur di poco le posizioni apparenti delle stelle più vicine al disco solare. Come risultato, le immagini dei campi stellari avrebbero dovuto essere leggermente distorte: si sarebbe dovuta osservare una minore distanza apparente tra le Iadi, rispetto ad un’immagine notturna.
La difficoltà sperimentale era soprattutto legata all’entità della deviazione prevista, di appena 5 decimillesimi di grado per un raggio di luce che rasenta la superficie solare. Per avere un’idea dell’ordine di grandezza, basti sapere che la Luna piena è vista dalla Terra sotto un angolo di circa mezzo grado, ossia 1000 volte più grande.
La Royal Astronomical Society organizzò due spedizioni per osservare l’eclisse del 29 maggio 1919: una nel Sobral (nord del Brasile), l’altra alle Isole Principe (Africa occidentale). La spedizione africana, guidata dall’astronomo inglese Arthur Eddington, non fu molto fortunata e finì nel mezzo d’un temporale proprio quando l’eclisse stava iniziando: delle 16 lastre ottenute solo 2 furono utilizzabili. In Brasile invece il tempo si mantenne ottimo e furono ottenute 26 fotografie, di cui 7 buone e 16 scadenti. I dati raccolti in Africa risultavano in buon accordo (entro il 10%) con la previsione di Einstein, mentre quelli in Brasile erano più ambigui: le 7 lastre buone davano un valore di deflessione un po’ più grande di quello teorico, le 16 scadenti un valore nettamente inferiore.
Eddington preferì i valori più grandi per la deflessione e dichiarò confermata la previsione di Einstein.

A causa della deflessione dei raggi di luce nel campo gravitazionale del Sole, le stelle A e B vengono viste dalla Terra nelle posizioni apparenti A’ e B’ (l’effetto sulla stella C è trascurabile). Il risultato è una maggiore vicinanza apparente delle stelle A, B e C.

Il 6 novembre 1919, in una seduta congiunta a Londra, la Royal Society e la Royal Astronomic Society annunciarono che i raggi di luce sono effettivamente deviati nel campo gravitazionale del Sole e proprio nella quantità predetta dalla nuova teoria di Einstein.
Nell’aprire quella storica seduta, il famoso fisico J. J. Thomson, presidente della Royal Society, definì la teoria di Einstein «uno dei piu grandi successi della storia del pensiero umano», e aggiunse: «Non è la scoperta di un’isola fuori mano, ma di un intero continente di nuove idee scientifiche».
Il filosofo e matematico Alfred N. Whitehead racconterà:
«Fu per me una fortuna essere presente alla seduta della Royal Society a Londra quando l’astronomo reale F. W. Dyson annunciò che le lastre fotografiche della famosa eclisse, misurate dai suoi colleghi nell’osservatorio di Greenwich, avevano confermato la predizione di Einstein secondo la quale i raggi deviano passando vicino al Sole. Vi era un’atmosfera di dramma greco. Noi eravamo il coro che commentava i decreti del destino, rivelati dallo svolgersi di avvenimenti eccezionali […], sullo sfondo il ritratto di Newton a ricordarci che la più grande generalizzazione scientifica stava ora, dopo più di due secoli, per ricevere la prima modificazione […]. Una grande avventura del pensiero era giunta salva alla riva […]».
Spintasi oltre le colonne d’Ercole della scienza, lasciate lì da Newton due secoli prima, quell’avventura del pensiero s’era fatta teoria scientifica ed era riuscita a spiegare ciò che la fisica di Newton non poteva. Come avrebbe detto il filosofo della scienza Karl Popper, la teoria di Newton era stata falsificata.
Anche la stampa sancì il successo della relatività generale, sebbene con toni inevitabilmente superficiali e trionfalistici: “Le stelle non sono dove sembrano essere” titolava il New York Times qualche giorno dopo.
Negli anni seguenti si avanzarono molti dubbi sulla validità delle analisi svolte da Eddington sulle fotografie dell’eclisse. Alcune spedizioni successive, pur misurando spostamenti di un numero molto maggiore di stelle, a stento ottennero le stesse precisioni; talvolta, addirittura, trovarono risultati in disaccordo con la teoria di Einstein. La spiegazione per tutto questo sta probabilmente nel fatto che all’epoca la precisione degli strumenti non era sufficiente per rivelare chiaramente le piccolissime perturbazioni relativistiche. È quindi plausibile che il risultato del 1919 fosse stato influenzato dalla fiducia degli sperimentatori verso la nuova teoria: lo stesso Eddington ammise, anni dopo, di non essere stato “del tutto imparziale”. Ad ogni modo, nei primi anni la comunità scientifica mantenne una certa cautela: ne è la prova il fatto che la relatività generale non fu menzionata nelle motivazioni del premio Nobel conferito a Einstein nel 1921.

Il progresso tecnologico ha consentito negli anni innumerevoli verifiche sperimentali della relatività, e la stessa deflessione della luce è stata trovata in accordo con le previsioni con un grado di accuratezza enorme. Nondimeno, l’esperimento del 1919 è entrato a far parte della storia della scienza, avendo segnato (forse troppo in fretta) la legittimazione di quella che è oggi considerata una delle teorie fondamentali della fisica moderna. Ma, in quanto teoria scientifica, anch’essa popperianamente falsificabile.