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L’arte e la bellezza della teoria di Einstein

Cento anni fa, un oscuro fisico tedesco di nome Albert Einstein presentava all’Accademia Prussiana delle Scienze la sua teoria della gravità. La relatività generale non è solamente una teoria fortemente descrittiva ma in essa si cela una forma di bellezza che sta alla base della sua eleganza.

Illustrazione del concetto di curvatura dei raggi luminosi provenienti da una stella distante. Credit: C. Ruscica/Astrocultura/UAI

Nulla in precedenza aveva preparato gli scienziati ad un cambiamento così radicale dei fondamenti della realtà. Codificata in un insieme di equazioni matematiche era l’idea che il nostro Universo fosse caratterizzato da una sorta di “rete magica”, oggi nota con il termine “spaziotempo”. Secondo la teoria, la struttura di questa rete sarebbe stata rivelata dal fenomeno della curvatura dei raggi luminosi quando passano attorno a corpi massicci come le stelle. A quell’epoca, però, tutto ciò sembrava impossibile dato che ai fisici era noto che la luce si propaga in linea retta. Fortunatamente, nel 1919 le osservazioni dell’eclissi solare condotte da Sir Arthur Eddington permisero di concludere che su scala cosmica i raggi luminosi “piegano” davvero: nel corso di poco tempo, Einstein divenne una superstar al livello mondiale. Si dice che lo stesso scienziato tedesco avesse dato poca importanza alla notizia sul fatto che la sua teoria fosse stata verificata sperimentalmente. Quando gli venne chiesto che cosa avrebbe pensato nel caso contrario, egli rispose: “Sarei rimasto dispiaciuto per Dio. La teoria è corretta”. Ciò che lo rese talmente sicuro nel dare il suo giudizio era l’estrema eleganza delle equazioni: come poteva essere sbagliato un sistema matematico così bello? Questo pensiero fu ripreso più tardi da Paul Dirac che prese in prestito, si fa per dire, le parole del poeta John Keats dichiarando, in merito alla descrizione matematica della natura, che “la bellezza è verità e la verità è bellezza”.

Nel corso della storia, la ricerca del bello ha fatto sempre parte della tradizione culturale e scientifica dei fisici. E in tal senso, la relatività generale rappresenta il culmine di un particolare insieme di “preoccupazioni estetiche”. La simmetria, l’armonia, un senso di unità e completezza, sono alcuni degli aspetti ideali che formalizza la teoria. Se la teoria dei quanti si può associare all’improvvisazione e alla complessità del jazz, la relatività generale si avvicina di più a un maestoso valzer. Dunque, se quest’anno abbiamo celebrato il centenario della teoria (1915-2015), possiamo senza alcun dubbio applaudirla non solo per il suo aspetto scientifico visionario ma anche per il suo trionfo artistico. Ma cosa si intende per “arte”? Sono state proposte molte risposte a questa domanda e molte altre emergeranno. Una risposta un po’ provocativa proviene dalle parole della poetessa e pittrice Merryl Harpur che aveva notato come “in generale, il dovere degli artisti è quello di rendere incantevole il paesaggio intellettuale, contribuendo all’arricchimento della nostra esperienza mentale”. Ma potrebbe non essere compito degli scienziati rendere incantevole il nostro paessaggio intellettuale, essendo uno degli obiettivi della scienza, anche se, bisogna dire, nessuna idea scientifica è stata così attraente come quella appartenente ad Einstein. Anche se lo scienziato tedesco andava affermando che non c’era più di una dozzina di persone che comprendevano la sua teoria, così come tanti artefatti concettuali, non occorre comprendere necessariamente tutta la teoria per esserne catturati. In essenza, la relatività generale ci fornisce una nuova visione della gravità, una di quelle che non è naturalmente ordinaria.

Gravity
Illustrazione artistica del moto dei corpi celesti sul tessuto spaziotemporale.

Secondo la teoria, i pianeti e le stelle si muovono su una sorta di “tessuto cosmico”, detto anche “tessuto di Eddington”, per l’appunto lo spaziotempo dove qualsiasi corpo celeste dotato di massa produce una depressione sulla superficie (in realtà, bisogna pensare alla superficie non a 2 bensì a 4 dimensioni). Applicando, perciò, il concetto dello spaziotempo all’intero cosmo e prendendo in considerazione gli effetti della gravità dovuti a tutte le stelle e alle galassie, gli scienziati possono utilizzare le equazioni di Einstein per determinare la struttura su larga scala dell’Universo. Tutto questo ci fornisce così una sorta di “formula magica” dell’architettura cosmica.

Einstein partì dai cosiddetti “esperimenti mentali”. Il suo modo di chiedersi “che succede se” ha aperto nel corso del tempo la strada in diverse discipline scientifiche. Egli diede valore a questa sorta di “gioco intellettuale” quando nel suo famoso commento andava affermando che: “L’immaginazione è più importante della conoscenza. La conoscenza è finita, l’immaginazione invece racchiude il mondo”. Ma l’immaginazione da sola non avrebbe potuto produrre un insieme di equazioni matematiche la cui accuratezza è stata oggi verificata sperimentalmente fino a diversi ordini di grandezza, il che rende estremamente accurati gli stessi sitemi GPS. In questo modo, Einstein si fece promotore di un’altra potenza creativa: la matematica. I matematici avevano già sviluppato tecniche formidabili per descrivere le superficie non-euclidee e lo stesso Einstein si rese conto che poteva applicare questi potenti strumenti allo spazio fisico. Applicando la geometria di Riemann, Einstein sviluppò una descrizione del mondo in cui lo spaziotempo diviene una sorta di “membrana” elastica, dinamica, che si piega, si curva e si flette come un organismo vivente. In altre parole, mentre il cosmo di Newton era un vuoto statico privo di alcuna proprietà, l’universo di Einstein è una sorta di paesaggio, in moto continuo, guidato da forze titaniche e popolato da mostri: stiamo parlando di pulsar che emettono getti relativistici nello spazio, di buchi neri “mangiatori” di luce dove all’interno del cosiddetto orizzonte degli eventi, una superificie ideale che rappresenta il punto di non ritorno, il tessuto dello spaziotempo non ha più senso fisico. Una caratteristica essenziale che appartiene all’artista importante è il grado con cui egli o ella stimola altri pensatori creativi. La relatività generale è stata inserita nel DNA della finzione cinematografica, ricordiamo la propulsione a curvatura di Star Trek, il tunnel spaziotemporale di Contact, e molte altre storie fantastiche del grande schermo, senza tralasciare per ultimo Gargantua, il buco nero di Interstellar. Insomma, all’epoca in cui c’è un desiderio sempre crescente di collegare il mondo dell’arte e della scienza, la relatività generale ci ricorda che c’è una forma d’arte nella scienza. Infine, nella teoria di Einstein la ragione e l’immaginazione si combinano insieme in un tutt’uno, una sintesi che nessuna delle due potrebbe raggiungere da sola.

The Conversation: The art and beauty of general relativity