Una simulazione al computer di due buchi neri che si scontrano.
Il vecchio sogno del fisico Rainer Weiss si è avverato.
50 anni fa, Rainer Weiss aveva sognato un modo per rilevare le onde gravitazionali, le piccole increspature delle onde-infinitesimali nello spazio-tempo ipotizzate dalla teoria della gravità di Einstein. Lo scorso settembre, quel sogno si è avverato. I 1000 i fisici che lavorano a Livingston nella Louisiana e a Hanford, Washington, grazie a due enormi rivelatori, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), hanno percepito un impulso di onde irradiate da due buchi neri massicci a spirale, l’uno nell’altro, a un miliardo di anni luce di distanza. La scoperta di Weiss, un fisico del Massachusetts Institute of Technology (MIT) a Cambridge, sarà un’ottima occasione per vincere un Nobel. Weiss, 83 anni, riconosce la prospettiva con una certa apprensione. Nato a Berlino nel 1932, insieme alla sua famiglia fugge dai nazisti e approda a New York, dove cresce nell’Upper West Side di Manhattan. Ragazzo di strada sveglio e intraprendente, si costruisce e vende sistemi ad alta fedeltà (hi-fi). Come undergrad MIT, Weiss viene bocciato. Si afferma comunque come importante fisico, lavorando per più di 40 anni al progetto LIGO, uno degli esperimenti più audaci mai tentati e che lo impegna ancora oggi.
LIGO-Rainer Weiss: La gente dice, “Ha fallito il college! La mia vita è finita!” Beh, non è finita
Nel suo modesto ufficio al MIT, al secondo piano di un edificio in mattoni, che assomiglia ad un vecchio magazzino, Weiss lavora alla sua piccola scrivania in legno, segata a mano da lui per potervi ribaltare i monitor ingombranti dei computer.
Rainer Weiss nasce da Federico Weiss, neurologo e figlio di una ricca famiglia ebrea tedesca, e Gertrude Loesner, un’attrice radiofonica. Mentre Gertrude è incinta, Federico, fervente comunista, viene messo nei guai perché deve testimoniare in tribunale contro un medico nazista incompetente. I nazisti lo rapiscono, e la famiglia di Gertrude deve dar fondo alle economie di famiglia per farlo rilasciare. La coppia, sposatasi nel 1933, decide così di riparare a Praga e poi in Cecoslovacchia, dove nel 1937 nasce la sorella di Rainer.
Quando, poi, il primo ministro Neville Chamberlain U.K. firma l’accordo per cedere parte della Cecoslovacchia alla Germania la famiglia fugge di nuovo. Apprendono la notizia, la notte del 30 settembre 1938, mentre sono in vacanza sui monti Tatra, in Slovacchia. A gennaio del 1939 la famiglia emigra a New York. Weiss racconta di essere cresciuto in un ambiente di benevola negligenza. “Entrambi i miei genitori si disinteressavano di me,” dice. “Mio padre era troppo egocentrico e troppo impegnato economicamente a pagare le spese del suo studio e mia madre, probabilmente, era più interessata a mia sorella”.
Da ragazzo, Weiss aveva due passioni: la musica classica e l’elettronica. Scroccando all’esercito le parti in eccesso, ripara le radio fuori dalla sua camera da letto, facendosi rubare dai teppisti locali le parti mancanti.
La sorella di Weiss, la drammaturga Sybille Pearson, ammette che Weiss passava la maggior parte del tempo fuori da quella casa infelice. Ma come unico figlio maschio, per la sua famiglia, era ancora qualcosa di simile a un principe. Ad esempio, ogni volta che la famiglia si trasferiva in un nuovo appartamento, a Weiss veniva data la camera da letto più grande. A scuola era interessato a tutto e molto intelligente. Le sue capacità scientifiche scolastiche furono ampiamente riconosciute. Se Weiss viene tagliato fuori dalla classe è perché si tratta di un ragazzo tedesco-profugo con genitori molto colti, a cui si ribella facendo le cose con le mani, ma non per questo rifiutandosi di farle con la testa.
All’inizio della fase adulta si applica al MIT per studiare ingegneria elettrica in modo da poter risolvere un problema hi-fi-how, sopprimere il sibilo fatto dai record gommalacca della giornata. Ma i corsi di ingegneria elettrica lo deludono. Così Weiss si applica di più alla fisica. Poi, alla fine del primo anno, Weiss viene bocciato a scuola. Innamoratosi di donna incontrata sul traghetto da Nantucket a Boston, la segue fino a Evanston, Illinois, abbandonando lo studio. “Mi insegnava la danza popolare e a suonare il pianoforte,” racconterà Weiss. Ritornato al MIT, spera di proseguire, ma scopre di essere stato bocciato: ormai è fuori.
Ingaggiato come tecnico al MIT, al leggendario edificio 20, una struttura temporanea eretta durante la guerra, lavora per Jerrold Zaccaria, che studia i fasci di atomi e molecole con la luce e le microonde, e sviluppa il primo orologio atomico commerciale. Sotto la guida di Zaccaria, Weiss termina la laurea nel 1955 e consegue il dottorato di ricerca nel 1962.
Weiss dirà che Zaccaria ebbe il grandissimo merito di averlo riportato a scuola e avergli fatto fare la specializzazione. Appesa al muro dell’ufficio di Weiss, c’è una foto di Zaccaria.
Dopo un post dottorato, presso la Princeton University, Weiss tornato al MIT nel 1964, sperimenta la gravità con il fisico Robert Dicke per misure la cosiddetta radiazione cosmica di fondo (CMB), un fuzz omnipervadente di onde radio, che scoperto nel 1965, era stato provvisoriamente identificato come il bagliore residuo del Big Bang . Le radiazioni del big bang dovrebbero avere un “spettro termico”, con un picco sbilenco che indica la temperatura della radiazione.
LIGO
MIT, Team LIGO.
Per sondare la materia, Weiss e il suo studente laureato Muehlner, costruiscono un dispositivo che vola su un pallone meteorologico e misura lo spettro di lunghezze d’onda più corte, le microonde. Nel 1973, dopo tre voli e una ricostruzione, che avevano prodotto solidi dati che si adattavano a uno spettro termico, per la prima volta il rivelatore rivela un picco.
Robert Birgeneau, emerito cancelliere dell’Università della California, a Berkeley, che è stato al MIT dal 1975 al 2000, dice che il lavoro di Weiss si è guadagnato il rispetto di tutto il dipartimento di fisica del MIT.
Nel 1976, la NASA inizia a lavorare su Cobe (COBE) via satellite, a capo del gruppo di lavoro scientifico del progetto viene nominato Weiss. Lanciato nel 1989, COBE misura lo spettro delle microonde con assoluta precisione, dimostrando oltre ogni dubbio che il CMB ha uno spettro termico. Percepisce anche piccole variazioni nella temperatura del CMB, tracce di fluttuazioni quantistiche infinitesimali nell’universo neonato, essenziali per il modello standard della cosmologia. Nel 2006, gli americani John Mather e George Smoot condividono il premio Nobel per la Fisica per, rispettivamente, aver misurato lo spettro e rilevato le fluttuazioni.
Alcuni fisici dicono che Weiss avrebbe dovuto condividere quel premio
Molto prima di COBE, durante i suoi giorni ribelli fuori ruolo, Weiss lavora a un’idea che sarebbe poi diventata LIGO. Alla fine del 1960, il dipartimento di fisica del MIT gli chiede di tenere un corso di laurea sulla relatività generale.
Curvatura spazio tempo.
Gli studenti di Weiss gli chiedono di discutere gli esperimenti in cui Joseph Weber, ingegnere presso l’Università del Maryland, College Park, sta cercando di rilevare le onde gravitazionali utilizzando dei cilindri in alluminio delle dimensioni di un bauletto. La relatività generale afferma che oggetti massicci, come ad esempio due buchi neri, legati insieme a spirale, dovrebbero irradiare delle increspature nello spazio-tempo. Weber sostiene che quelle onde gravitazionali avrebbero attratto i suoi cilindri, facendoli vibrare come diapason. Nel 1969, rivendica la scoperta delle onde, ma nessuno riesce a riprodurla.
Weiss che non riusce a cogliere il metodo di Weber, decide di inventarne uno suo, basato su un dispositivo a forma di L, chiamato interferometro. Divide un raggio laser e invia i due fasci in giù, perpendicolari come “braccia”. I raggi si riflettono come specchi e tornano indietro al divisore di fascio. Se i bracci sono esattamente della stessa lunghezza, le onde luminose tornano in sincronia e si ricombinano in modo che i flussi di luce vanno verso il laser. Ma se i bracci differiscono dalla lunghezza d’onda della luce, la sovrapposizione trasmette la luce fuori dalla perpendicolare.” Weiss capisce che l’uscita potrebbe rivelare un’onda gravitazionale che passa, e che generalmente dovrebbe aver tratto dei bracci di misura diversa. Lasciò che la classe masticasse l’idea e poi scrisse una relazione di 23 pagine nella newsletter trimestrale del MIT di Elettronica, Research Laboratory. Da quel documento nasce LIGO.
Sperimentare la realtà richiede prodezze tecnologiche da capogiro. Gli interferometri LIGO twin hanno braccia lunghe 4 chilometri. Per rilevare un’onda gravitazionale, i fisici devono confrontare le lunghezze delle braccia entro 1/10.000 della larghezza di un protone. L’approvazione per costruire il progetto, di 300.000.000 dollari, arriva solo nel 1994, 22 anni dopo.
LIGO ha dimostrato, oltre ogni ragionevole dubbio, l’esistenza dei buchi neri, i campi gravitazionali intensi lasciati dal collasso delle stelle in punti infinitesimali. Entro una certa distanza da quel punto al di là dell’evento, la gravità cresce così forte che nulla può sfuggire, nemmeno la luce.
Adriana Paolini