La scoperta delle onde gravitazionali è stato l' ultimo traguardo raggiunto dai ricercatori  della fisica moderna di tutto il mondo operanti nella fisica delle alte energie. Le onde gravitazionali rilevate in questo caso  sono dovute alla collisione di due giganteschi buchi neri, la quale è avvenuta circa 1,3 miliardi di anni fa a distanza galattica ( ricostruzione nell' immagine in alto).

Questa fondamentale scoperta è stata recentemente rivelata al mondo a 100 anni esatti dalla predizione di Einstein sulla loro esistenza.

Così come alcuni dei più importanti traguardi scientifici recentemente raggiunti, la scoperta è frutto di un lavoro di squadra internazionale. Il merito va a ciascuno dei 1000 e più scienziati che lavorano agli interferometri LIGO e VIRGO,  negli USA ed in Italia rispettivamente, che hanno captato il segnale "sospetto", arrivato da 1,3 miliardi di anni luce di distanza dal nostro sistema solare.

Come spesso capita nella scienza, siamo ancora a metà dell' opera : il cammino è ancora lungo per convalidare la teoria della  Relatività Generale di Einstein, e confermare definitivamente la Teoria del tutto, cioè quella che si prefigge di unificare tutte le diverse forme di energia presenti nell' universo.

All' appello manca ancora il Gravitone, cioè la particella che non si è ancora trovata, la quale è associata alle onde gravitazionali e che, secondo la fisica teorica, dovrebbe esistere secondo il noto Principio di complementarietà. Secondo questo principio, infatti, ad ogni onda è associata una particella ( principio noto anche come dualismo corpuscolo- onda). Ad esempio, è stato dimostrato ampiamente che la luce si presenta sia sotto forma di corpuscolo ( il quanto di luce o fotone) che come onda che si propaga nello spazio.

E' appunto per rispettare questo principio che alle onde gravitazionali dovrebbe essere associata una particella chiamata Gravitone. In parole povere, un principio che si impone universalmente nel mondo fisico  per tutte le altre forme di energia dovrebbe essere rispettato anche in questo caso. In fisica, infatti, non esiste l' eccezione che conferma la regola. 

Il fisico danese Niels Bohr (1885–1962 ) comprese che la natura della materia e della radiazione non doveva essere ripensata solo in termini esclusivi o di un'onda o di una particella, ma sia l'elettrone che il fotone sono al tempo stesso sia un corpuscolo sia un'onda. Il concetto, formulato dal fisico danese nel 1928 e noto come principio di complementarietà, si basa sul fatto che la descrizione completa dei fenomeni che avvengono su scale atomiche richiede proprietà che appartengono sia alle onde che alle particelle.

Un contributo fondamentale alla spiegazione dei fenomeni fisici alla base di tutte le successive indagini sull' energia e sulla materia lo diede Il fisico tedesco Max Planck (1858-1947). Egli fu il primo a introdurre il concetto di "quanto"  ( da quantum, in latino) nel suo lavoro   "Ueber die Elementarquanta der Materie und der Elektrizität" (Sui quanti elementari della materia e dell'elettricità).

Alcuni tentativi sono stati fatti per cercare di riunire tutte le leggi della fisica in una forma unitaria e per risolvere alcune incoerenze presenti nelle due formulazioni. In questo modo nacque la teoria della relatività e la scoperta anche di una natura corpuscolare della luce. Nella natura corpuscolare, avanzata da Einstein e Max Planck, la luce era considerata come composta da fotoni che trasportano quantità discrete dell'energia totale dell'onda elettromagnetica. In modo analogo de Broglie scoprì che anche l'elettrone ha comportamenti ondulatori.

La necessità del Gravitone

Il gravitone è una particella elementare, responsabile della trasmissione della forza di gravità nei sistemi di gravità quantistica. Questa particella è prevista in diversi modelli teorici che mirano ad unificare i fenomeni gravitazionali con quelli quantistici, ma la sua esistenza non è ancora stata sperimentalmente verificata.

Secondo le previsioni teoriche, i gravitoni devono esercitare sempre una forza attrattiva (infatti, la gravità non è mai repulsiva), e agire a qualsiasi distanza (la gravità è una forza che agisce anche a grande distanza).

Nella teoria quantistica, queste caratteristiche definiscono un bosone con spin pari (2 in questo caso) e massa a riposo pari a zero.

Nella gravità quantistica, i gravitoni svolgono lo stesso ruolo che svolgono i fotoni (i quanti del campo elettromagnetico) nell'ambito dell' elettrodinamica quantistica. In questo caso i fotoni vengono continuamente creati e distrutti da tutte le particelle cariche, e l'interazione con questi fotoni produce le forze macroscopiche con cui siamo familiari, come il magnetismo.

Sono stati fatti molti tentativi di introdurre il (finora mai osservato) gravitone, che dovrebbe funzionare in maniera simile al fotone. Si sperava che questo avrebbe portato rapidamente a una teoria quantistica della gravitazione, anche se la formalizzazione matematica sarebbe stata non priva di ostacoli, ma non è andata così. Una teoria di questo tipo richiederebbe al gravitone di operare in maniera simile al fotone, ma contrariamente all'elettrodinamica, dove i fotoni agiscono direttamente l'uno sull'altro, e sulle particelle cariche, la gravità non funziona così semplicemente

La nuova particella, che sarebbe quantisticamente un bosone vettore di gauge con spin 2, dimostra un campo d'azione infinito come la luce e segue le dinamiche fisiche del campo di forza newtoniano relativizzato in c, come prevede la relatività generale introdotta da Einstein .

Il gravifotone e il graviscalare sono campi che compaiono, tra gli altri, nelle teorie di supergravità accoppiata a certi campi vettoriali (simili al fotone) in 4 dimensioni con 4 generatori di supersimmetra. Questi al momento sono il risultato della richiesta che la teoria sia supersimmetrica, in quanto ancora non sono stati rivelati partner supersimmetrici delle particelle elementari note.

La ricerca del Gravitone al CERN di Ginevra

La teoria che raccoglie queste fantomatiche particelle si chiama supersimmetria e, tra le varie cose, dice che per ogni fermione deve esistere un bosone simmetrico e viceversa. I fermioni sono le particelle (come quark, elettroni e neutrini) che compongono la massa, mentre i bosoni sono le particelle (come i gluoni e i teorici gravitoni) che trasportano le forze che tengono insieme l’Universo (nucleare forte, elettrodebole, gravità).

In natura o nelle collisioni all'interno di acceleratori, gli scienziati hanno visto molti fermioni e bosoni (tra cui il bosone di Higgs) ma non hanno mai rilevato le loro controparti simmetriche. Ciò potrebbe essere legato al fatto che esse hanno masse (o cariche energetiche) talmente elevate che non possono formarsi nelle collisioni avvenute ai livelli di energia generati finora dall’ LHC, il più potente acceleratore di particelle del mondo, situato presso il CERN di Ginevra.

La superteoria che unificherebbe il “ tutto “

I Gravitoni servirebbero per mediare la forza di gravità. L’esistenza di questi “quanti gravitazionali” permetterebbe di far rientrare anche la forza di gravità nella teoria quantistica, rendendola più simile alle altre forze (elettromagnetica, nucleare debole, nucleare forte) e dando finalmente vita alla  “teoria del tutto”, tanto cercata anche da geni della fisica teorica come Stephen Hawkings.