L'orbita di Mercurio si muove lentamente attorno al sole, e una volta che gli astronomi sottraggono la trazione di ogni altro pianeta del sistema solare, le equazioni stesse di Newton rimangono ancora a 43 arcosecondi al secolo sotto lo scuotimento osservato. Sembra un errore di arrotondamento. È in realtà la crepa che alla fine ha costretto i fisici a riscrivere la gravità da zero.
La gravità mantiene i satelliti in orbita, mantiene i fiumi che scorrono in discesa e fissa ogni lettore nella sua sedia, ma ci volle più di mille anni di supposizioni, un'equazione newtoniana e una fantasia pomeridiana di un impiegato brevettuale a Berna per ottenere una descrizione funzionante di essa. Anche allora, la gravità si rivelò abbastanza strana che la sua attrazione tra due elettroni è solo 1 parte su 4,17×10⁴² della repulsione elettrica tra loro — una forza così debole a scala atomica che il suo dominio su pianeti e galassie può sembrare una contraddizione.
Ecco cosa rivela effettivamente il record: chi indovinò la gravità secoli prima di Newton, come la sua legge fu testata e dove ha rotto, e cosa l'ha sostituita.
La Lunga Preistoria della Gravità
L'idea che le cose cadono verso la Terra è antica, ma l'idea che la gravità potrebbe funzionare allo stesso modo ovunque è molto più vecchia di Newton. Il matematico e astronomo indiano Brahmagupta, che scriveva nel 628 d.C., descriveva la gravità come un'attrazione che tira gli oggetti verso la Terra — la chiamava gurutvakarshan, un termine che precede il Principia di Newton di più di mille anni.
Molto prima che chiunque potesse misurare la gravità con precisione, qualcuno doveva mostrare che la sua attrazione non si preoccupa di quanto pesante sia un oggetto. Nel 1586, il fisico fiammingo Simon Stevin fece cadere due palle di cannone di diverse dimensioni e pesi da una torre a Delft e scoprì che colpirono il suolo quasi allo stesso momento, una dimostrazione direttamente osservata che il peso da solo non decide quanto velocemente qualcosa cade.
L'Equazione di Newton, Testata in una Cantina
Isaac Newton ripiegò osservazioni come quella di Stevin in un'unica legge in Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, il libro che pubblicò il 5 luglio 1687. Ha ridotto la gravità a una formula ordinata, F = Gm1m2/r², dove G è una costante fissata a 6,674×10⁻¹¹ — un numero così piccolo che il suo effetto tra due oggetti ordinari è quasi impossibile da sentire.
Newton non ha mai misurato G stesso. Ci volle più di un secolo prima che Henry Cavendish, uno scienziato britannico, conducesse il primo test di laboratorio della legge gravitazionale di Newton: nel 1798 pesò sfere di piombo l'una contro l'altra per mostrare che la stessa forza che tira insieme i pianeti agisce anche tra oggetti su un tavolo.
Da un Pianeta Previsto a un'Oscillazione Inspiegabile
La legge di Newton era abbastanza accurata da fare qualcosa di straordinario: trovare un pianeta che nessuno aveva mai visto. Nel 1846, John Couch Adams e Urbain Le Verrier, lavorando indipendentemente come astronomi, hanno calcolato dove un corpo invisibile doveva tirare l'orbita di un pianeta vicino, e un telescopio puntato verso quella parte di cielo ha trovato Nettuno quasi in un giorno.
Ma la stessa legge ha prodotto una piccola discrepanza persistente molto più vicina a casa. Una volta sottratta la trazione gravitazionale di ogni altro pianeta dall'orbita di Mercurio, le equazioni di Newton mancano ancora l'oscillazione osservata di 43 arcosecondi al secolo — troppo piccolo per contare per la maggior parte degli scopi, ma troppo grande perché i fisici potessero scrollarsi le spalle.
La Nuova Visione della Caduta di Einstein
La soluzione alla fine è venuta da un impiegato brevettuale a Berna. Nel 1905, Albert Einstein ha pubblicato l'articolo che ha introdotto la relatività speciale, capovolgendo il modo in cui i fisici pensavano allo spazio e al tempo.
Due anni dopo, ebbe quella che in seguito avrebbe chiamato la realizzazione più felice della sua vita: qualcuno in caduta libera si sente senza peso, come se la gravità avesse semplicemente spento per lui. Lavorare quell'idea attraverso la matematica ha impiegato altri otto anni, e Einstein non ha pubblicato la sua finita teoria generale della relatività fino al 1915.
La nuova teoria si è guadagnata il suo posto quasi immediatamente. Le sue previsioni corrispondevano alla strana oscillazione orbitale di Mercurio, e spiegavano anche perché la luce stellare si piega mentre passa vicino al sole — chiudendo il divario esatto che le equazioni di Newton non potevano mai contabilizzare.
Ascoltare le Increspature nello Spaziotempo
La relatività generale ha anche predetto che gli oggetti massicci e accelerati dovrebbero far tremare lo spaziotempo stesso, inviando onde gravitazionali. La prima evidenza di ciò è venuta indirettamente: gli astronomi Hulse e Taylor hanno tracciato la pulsar binaria PSR1913+16, che avevano trovato nel 1974, e hanno osservato la sua orbita ridursi esattamente alla velocità che emetterebbe onde gravitazionali. La scoperta ha conquistato loro il Premio Nobel per la Fisica nel 1993.
La prova diretta ha aspettato un'altra generazione. Le collaborazioni LIGO e Virgo hanno annunciato l'11 febbraio 2016 che avevano rilevato un'onda gravitazionale effettiva: un segnale denominato GW150914 che è arrivato il 14 settembre 2015 alle precise 09:50:45 GMT. Era stato prodotto da due buchi neri, che pesavano 29 e 36 volte la massa del sole, che spiralavano insieme e si fondevano approssimativamente a 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra.
La Gravità Dipende da Dove Si Stai
Anche senza lasciare il pianeta, la gravità non è un numero fisso. L'attrazione della Terra varia di circa lo 0,7 percento sulla sua superficie, da un minimo di 9,7639 m/s² in cima al Nevado Huascarán in Perù, fino a un massimo di 9,8337 m/s² sulla superficie dell'Oceano Artico.
Questi dossi e avvallamenti appaiono chiaramente sulle mappe di gravità satellitare, accreditate alle missioni CHAMP e GRACE insieme alle agenzie GFZ, NASA e DLR, che rivelano perché alcuni punti della Terra tirano un po' più forte di altri. La mappa è circolata ampiamente dopo essere stata prodotta nel 2005, e una versione ancora più sensibile è seguita nel 2011 mentre gli strumenti miglioravano.