Negli ultimi anni della sua vita trascorsi a Princeton, Albert Einstein stava cercando di realizzare il suo sogno: formulare una teoria che unificasse leggi del mondo microscopico e leggi del mondo macroscopico, senza però riuscirci.

Oggi, i fisici teorici lavorano a modelli che tentano di descrivere il comportamento fisico di tutte le particelle e delle interazioni fondamentali in un insieme di equazioni matematiche.

La ricerca del Santo Graal dei fisici teorici è la formulazione di una teoria che descriva, in una singola equazione, tutto quello che noi conosciamo, ossia una "teoria del tutto" che si possa scrivere sottoforma di un'unica equazione da poter essere stampata, come la famosa E=mc2, persino su una maglietta.Verso la metà dell'Ottocento, elettricità e magnetismo sembravano due forze separate, ma James Clerk Maxwell mostrò che in realtà sono due facce della stessa interazione fondamentale, che noi oggi conosciamo come elettromagnetismo.

Albert Einstein a Princeton - Credit: Keystone

Alla metà del XX secolo, alla descrizione matematica dell'elettromagnetismo sono state incluse le equazioni della meccanica quantistica da cui è nata l'elettrodinamica quantistica che rappresenta oggi una delle teorie di maggiore successo.

Negli anni Sessanta, i fisici formularono una teoria matematica che combina l'elettrodinamica quantistica e l'interazione debole. Questa divenne nota come teoria elettrodebole che prevedeva l'esistenza di tre particelle W e Z0 che furono scoperte da Carlo Rubbia e Simon van der Meer tra il 1983 e il 1984 al CERN di Ginevra.

Il passo successivo verso la teoria del tutto dovrebbe spiegare l'interazione nucleare forte che tiene le particelle nei nuclei. Questo obiettivo non è ancora stato raggiunto anche se i fisici hanno realizzato una descrizione intermedia che si basa sul successo dell'elettrodinamica quantistica. Si ipotizza che l'interazione forte derivi dallo scambio di particelle, dette gluoni, fra i quark e poichè alcune proprietà dei quark sono note come "colori", questa teoria viene chiamata cromodinamica quantistica.

Ci sono tuttavia buone prospettive per cui la cromodinamica quantistica possa essere unificata, per così dire, con la teoria elettrodebole, ma ci sono serie difficoltà di includere in queste la quarta interazione fondamentale: la gravità. Spesso si parla di Teoria della Grande Unificazione, perchè essa dovrebbe descrive tre delle interazioni fondamentali, l'elettromagnetismo, la forza nucleare forte e quella debole, e si parla invece di Teoria del Tutto quella teoria finale che i fisici teorici sperano un giorno di dover scoprire per descrivere le particelle elementari e le forze della natura, compresa l'interazione gravitazionale.

La ricerca di onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono previste dalla Teoria della Relatività Generale e dovrebbero essere emesse da un corpo dotato di elevata massa (ad esempio, una stella o un pianeta) quando viene accelerato, allo stesso modo quando le cariche elettriche accelerate emettono onde elettromagnetiche.

Le onde gravitazionali dovrebbero propagarsi mediante una particella, portatrice dell'interazione, detta gravitone. A tutt'oggi, nonostante ricerche ed esperimenti, nè le onde gravitazionali nè il gravitone sono stati osservati con certezza.

Esistono due importanti esperimenti che danno la caccia alle onde gravitazionali. Uno si trova in Italia, nei dintorni di Pisa, denominato VIRGO, una collaborazione italo-francese, e l'altro si trova negli Stati Uniti e si chiama LIGO.

A sinistra, una veduta aerea dell''interferometro VIRGO (Credit: VIRGO Team) e a destra l'interferometro LIGO nel sito di Hanford (USA) (Credit: LIGO Team)

Test moderni della Teoria della Relatività

Gravity Probe B è un esperimento NASA e Università di Stanford che ha lo scopo di verificare le predizioni della Teoria della Relatività Generale.

L'esperimento ha lo scopo di misurare, con elevata precisione, piccolissime variazioni nella direzione dell'asse di rotazione dei giroscopi a bordo del satellite e ci permetterà di capire come il "tessuto" spaziotempo, rappresentato dalla griglia di color verde nella figura, viene deformato e trascinato dalla forza di gravità della Terra.

Questi effetti, sebbene trascurabili per le nostre esperienze quotidiane, hanno delle implicazioni importanti per capire la natura e la struttura dell'Universo.

Rappresentazione artistica della missione Gravity Probe B con la distorsione dello spaziotempo dovuto alla Terra

 Credit: James Overduin e Pancho Eekels.

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