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RICERCA & INNOVAZIONE

Onde gravitazionali: è Nobel. Perché la scoperta è fondamentale (anche) per le imprese

di Luciana Maci

17 Feb 2016

Il premio per la Fisica è andato a tre scienziati del team internazionale che ha confermato la teoria di Einstein. Ha contribuito anche l’Italia. Ettore Majorana e Paola Leaci spiegano a che cosa serve “guardare” ai primissimi istanti di vita dell’universo. E come contribuisce allo sviluppo di nuove tecnologie

Ettore Majorana, primo ricercatore dell'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
Oggi 3 ottobre è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica a Kip Thorne, Ray Weiss e Barry Barish per la scoperta delle onde gravitazionali. Questo fenomeno, previsto da Albert Einstein, è stato osservato per la prima volta nel 2015 dall’antenna americana Ligo. Osservazione confermata ad agosto di quest’anno anche dalla sua gemella italiana Virgo, lo strumento dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che si trova a Càscina (Pisa). In questo articolo pubblicato il 17 febbraio 2016 spiegavamo che cosa sono le onde gravitazionali e perché la loro scoperta ha un impatto, seppure indiretto, sullo sviluppo di nuove tecnologie e sull’innovazione in generale. 

La scoperta delle onde gravitazionali consente di guardare direttamente ai primissimi istanti di vita dell’universo e allo stesso tempo è in grado di avere implicazioni sul futuro della scienza, delle nuove tecnologie e di conseguenza anche dei settori dove si utilizzano queste tecnologie: dai sistemi di navigazione satellitare alla video-sorveglianza, dall’elaborazione grafica all’elaborazione dati, dall’ottica all’elettromagnetica al med-tech. A parlarne a EconomyUp sono due componenti del team italiano che ha contribuito alla scoperta: Ettore Majorana, primo ricercatore dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), e Paola Leaci, ricercatrice del Dipartimento di Fisica di Sapienza Università di Roma. Sono due dei componenti del team di scienziati e ricercatori internazionali, ma dislocati principalmente tra Usa e Italia (in tutto più di 1000 persone), che ci hanno creduto. Hanno lavorato duramente per anni per trovare conferma all’intuizione di Einstein, hanno sfidato gli scettici che non la ritenevano possibile (anche all’interno dell’ambiente scientifico) e alla fine ce l’hanno fatta. Un’avventura straordinaria per la scienza e la ricerca, anche e soprattutto per quella Made in Italy. Vediamone i passaggi.

La scoperta – La scoperta scientifica delle onde gravitazionali è un’importantissima conferma della Teoria

Paola Leaci, ricercatrice del Dipartimento di Fisica di Sapienza Università di Roma
della Relatività Generale resa pubblica da Albert Einstein nel 1915. In cosa consiste? È impossibile immaginare che cosa siano realmente le onde gravitazionali, perché coinvolgono lo spazio-tempo, nozione impossibile da rappresentare. Alcuni scienziati invitano a pensarle come “vibrazioni”, altri suggeriscono di immaginare “un’esplosione in un immenso bacino d’acqua”, altri ancora le descrivono come “increspature nel tessuto dello spazio-tempo”. Le onde gravitazionali sono state rivelate il ​​14 settembre 2015, alle 10:50:45 ora italiana dai ricercatori della collaborazione LIGO-Virgo, in coincidenza tramite i due interferometri statunitensi LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), presso Hanford  (Washington) e Livingston (Louisiana). Alla scoperta hanno collaborato anche i ricercatori italiani della collaborazione Virgo (più di 200 dislocati principalmente tra Italia, Francia e Olanda), la quale ha sviluppato un rilevatore che si trova nel comune di Cascina (Pisa) del tutto simile a quelli americani. Il network dei tre rivelatori ha già operato per quasi quattro anni in coincidenza, ma attualmente Virgo non è in funzione perché la sua configurazione è ancora in fase di aggiornamento, imminente nei prossimi mesi.

Cosa è stato osservato – Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari. I due buchi neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce. Il processo di fusione dei due buchi neri responsabili delle onde gravitazionali rivelate è un evento accaduto a 410 megaparsec da noi (un megaparsec equivale a circa 3,26 anni luce), e risale quindi a circa 1,3 miliardi di anni fa, quando sulla Terra facevano la loro comparsa le prime cellule evolute in grado di utilizzare l’ossigeno. Le onde gravitazionali, che sono in grado di attraversare indisturbate profondi strati di materia, risultano quindi l’unico messaggero in grado di fornire informazioni su ciò che è veramente accaduto, essendo assenti le emissioni di segnali elettromagnetici. Averle trovate significa perciò anche guardare indietro nel tempo e conoscere i dettagli dei primissimi istanti di vita dell’universo.

Come influirà la scoperta sullo sviluppo di nuove tecnologie – “Questa è ricerca applicata alla fisica fondamentale e finalizzata esclusivamente alla conoscenza: se ci sono ricadute sul mondo della tecnologia e di conseguenza sull’industria non vanno preventivate, sono sorprese che accadono” spiega Ettore Majorana, romano, al lavoro sulle onde gravitazionali dal 1989. Tuttavia è il primo ad ammettere che di queste “sorprese” ne sono accadute e ne accadono molte. Anzi, è praticamente inevitabile. Paola Leaci, originaria di Lecce, un dottorato a Trento e molti anni di ricerca in Germania, fa alcuni esempi. “Pochi sanno – dice – che le conoscenze derivanti dalla teoria della Relatività Generale di Einstein, la quale appunto predice l’esistenza delle onde gravitazionali, hanno fornito un contributo essenziale alla messa a punto e al grado di precisione ottenibile dalle attuali reti satellitari GPS”. Questo perché, a differenza della fisica quantistica, che in qualche modo rappresenta il mondo a noi sottostante, quella della relatività è un ambito che risalta sulle grande distanze, si occupa cioè di grandi oggetti e grandi masse. “Ci sono inoltre molte analogie – prosegue Paola Leaci – tra alcune delle tecniche che noi analisti dati utilizziamo per l’estrazione del segnale gravitazionale e quelle utilizzate nel campo dell’elaborazione digitale delle immagini, che trovano impieghi rilevanti anche nel campo della video-sorveglianza e in generale in tutte le tecniche di pattern recognition”. Ma anche tutto il mondo dell’elaborazione dati è stato (e molto probabilmente sarà ancora) influenzato da questa scoperta. “Nel nostro lavoro – spiega la ricercatrice – ci troviamo ad analizzare ingenti quantità di dati. Un processo che richiede familiarità con vari software e tecniche per creare algoritmi efficienti in grado di funzionare su processori paralleli. Alcuni di questi programmi e tecniche sono largamente utilizzati non solo nel mondo accademico, ma anche in molti settori dell’industria. Due esempi immediati riguardano la tecnologia superiore basata sulle unità di elaborazione grafica (GPU), che è ampiamente utilizzata in campi disparati come l’elaborazione di immagini scientifiche, l’esplorazione petrolifera e anche in ambito finanziario e assicurativo, laddove occorre elaborare una mole di dati a scopi predittivi”.

Il lavoro fatto per scoprire le onde gravitazionali ha avuto conseguenze anche sullo sviluppo dell’elettronica digitale. “In Virgo – spiega Ettore Majorana – si fa un uso molto intenso dell’elettronica digitale, perché più flessibile, e in questo settore siamo molto avanti. Il gruppo di Pisa ha sviluppato autonomamente l’elettronica digitale, riuscendo a realizzare un prodotto che viene fabbricato da piccole industrie del pisano”. Altro campo interessato è l’ottica. “La strumentazione ottica che utilizziamo per le nostre ricerche – prosegue il ricercatore – è molto sofisticata. L’INFN ha sviluppato a Lione un laboratorio per gli specchi dell’interferometro, che ora fornisce gli specchi a Virgo e LIGO. Oltre a contribuire ai progressi fatti fino ad oggi nell’uso dei laser – prosegue Majorana – il nostro team è stato apripista nell’utilizzo degli squid, magnetometri molto sensibili: noi li usavamo all’interno di un amplificatore ultrasensibile, poi sono stati adoperati in altri settori. Per esempio vengono impiegati per la trasmissione di impulsi nervosi in ambito med-tech”.

Il ruolo della ricerca Made in Italy – L’Italia ha giocato un ruolo di eccellenza nella scoperta delle onde gravitazionali e in particolare ha avuto un ruolo chiave il Dipartimento di Fisica di Sapienza Università di Roma. Già negli anni ’70, su impulso di Edoardo Amaldi e sotto la guida di Guido Pizzella, fu costituito uno dei primi gruppi al mondo che aveva come obiettivo la rivelazione di onde gravitazionali mediante antenne risonanti criogeniche. A partire dal 1995 il Gruppo, insieme ad altri 11 laboratori italiani e francesi, ha iniziato la costruzione di Virgo. Nel 2007 la collaborazione internazionale Virgo ha stretto un accordo con la collaborazione Ligo  che prevede che la presa dati dei tre i rivelatori avvenga in modo coordinato.

Non solo fuga di cervelli – Oltre a dare un contributo determinante alla ricerca internazionale, l’Italia è fonte di attrazione per ricercatori stranieri. “Nel team abbiamo una ricercatrice che ha lasciato un posto fisso in uno spin-off a Nizza, in Francia, per lavorare con noi” dice Majorana. “C’è un dottorando indiano, abbiamo avuto un ricercatore giapponese. Presenze straniere dovute al forte interesse suscitato dalla ricerca”. Paola Leaci ne è un esempio: laureata in Fisica a Lecce, nel 2008 ha conseguito un dottorato in Fisica, sulle onde gravitazionali, all’Università di Trento. Poi per 6 anni e mezzo ha poi lavorato all’Istituto Max Planck in Germania, ma ha deciso di rientrare in Italia, concorrendo per il bando del 2013 per il rientro dei cervelli in fuga voluto dal governo. È membro della collaborazione Ligo-Virgo dal 2008. Purtroppo però le retribuzioni di questi eccellenti ricercatori non sono all’altezza delle loro prestazioni. “Una volta – rievoca Majorana – ho presentato una proposta di contratto a un ricercatore francese e lui mi ha chiesto stupito se era per uno o due anni. Verificato che quella cifra avrebbe dovuto coprire i due anni ha rifiutato”.

Le gaffe dei media – Infine una nota sull’approccio dei media a questo argomento, che certo resta molto complesso da spiegare per i non addetti ai lavori. Citiamo a tal proposito Eugenio Scalfari che su Repubblica ha scritto un editoriale intitolato “Le onde di gravità cambiano da Einstein fino a Renzi”, promettendo di “spiegare con brevità e chiarezza” la scoperta, visto che a suo dire, “i giornali non sono riusciti a spiegarne il significato”. Ma, a detta della comunità scientifica, e anche di altri media, non è del tutto riuscito nell’intento. E comunque parlare di “onde di gravità” invece che di onde gravitazionali non è corretto. Altra perla giornalistica è il titolo apparso sulle agenzie “Fulvio Ricci torna da star alla Sapienza”: il coordinatore del progetto Virgo in realtà era semplicemente a Pisa, e il suo ritorno è stato all’insegna della sobrietà, come si addice a uno stimato ricercatore. Ma anche Il Giornale ha pubblicato qualche svista, per esempio calcolando male il numero di anni dalla fusione dei due buchi neri e scrivendo “Big Ben” invece di Big Bang.

(Articolo aggiornato al 03/10/2017)

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Luciana Maci
Giornalista

Ho partecipato al primo esperimento di giornalismo collaborativo online in Italia (Misna). Sono dal 2013 in Digital360 Group, prima in CorCom, poi in EconomyUp. Scrivo di innovazione ed economia digitale