La teoria della relatività generale di Albert Einstein supera un nuovo e rigoroso test, ottenendo una delle sue più accurate verifiche sperimentali in un regime di campo gravitazionale debole. Si tratta della conferma di un principio fondante della relatività generale, l’Invarianza Locale di Lorentz (LLI): le leggi della natura rimangono identiche qualunque sia la velocità o l’orientazione con cui l’osservatore si muove nello spazio.
Questo principio è matematicamente riassunto da un particolare parametro, chiamato PPN α₁, che è rigorosamente nullo se vale la LLI, e di conseguenza la relatività generale. Il nuovo risultato migliora di oltre un fattore quattro il precedente limite sperimentale che resisteva da circa trent’anni, ed è stato pubblicato il 27 luglio 2026, simultaneamente su due delle più prestigiose riviste internazionali del settore: Physical Review Letters, dove viene presentato il risultato principale, e Physical Review D, dove il risultato viene discusso nell’ambito di un’analisi teorica e di una rigorosa caratterizzazione degli errori statistici e sistematici.
Lo studio è stato condotto da una collaborazione, guidata da ricercatori dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), cui partecipano anche ricercatori dell’Università di Roma Tor Vergata, dell’Istituto di Scienza e Tecnologie dell’Informazione del CNR (ISTI-CNR), del British Geological Survey (Regno Unito) e dell’Instituto Geográfico Nacional (Spagna). Il progetto, dal nome SaToR-G, è stato finanziato dalla Commissione Scientifica Nazionale 2 dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Alla ricerca di nuova fisica
L’invarianza locale di Lorentz rappresenta un pilastro della fisica moderna, una vera pietra angolare su cui si reggono sia la relatività generale, sia il modello standard della fisica delle particelle e dei campi: come tale, è alle fondamenta della nostra comprensione più profonda dello spaziotempo.
Molte teorie che cercano di estendere la teoria di Einstein o di unificare la gravità con la meccanica quantistica prevedono la possibile esistenza di un sistema di riferimento privilegiato nell’universo (tipicamente identificato con quello della radiazione cosmica di fondo), in contrasto con il principio di invarianza locale di Lorentz. Una simile violazione lascerebbe una firma misurabile nel moto dei satelliti artificiali.
Il parametro PPN α₁ quantifica proprio questa eventuale deviazione. Nella relatività generale il suo valore è esattamente pari a zero: qualsiasi valore diverso da zero, quindi, costituirebbe un’indicazione di nuova fisica. L’analisi ha permesso di stabilire un nuovo limite, in base al quale il valore di PPN α₁ è compatibile con zero con una incertezza inferiore a due parti su centomila: si tratta del suo più stringente limite mai ottenuto nel regime della gravitazione in campo debole, che migliora di oltre un fattore quattro il precedente limite sperimentale, ottenuto nel 1996 con misurazioni di Lunar Laser Ranging sulla distanza Terra-Luna.
“La teoria della Relatività Generale di Einstein continua a dimostrarsi incredibilmente solida”, commenta David Lucchesi, ricercatore INAF associato all’INFN e responsabile nazionale dell’esperimento. “Con questa misura – prosegue Lucchesi – abbiamo spinto il limite di una possibile violazione dell’invarianza locale di Lorentz a un livello di accuratezza mai raggiunto prima in un campo gravitazionale debole come quello terrestre. Abbattere un primato scientifico che resisteva da ben trent’anni, stabilito dalle storiche misurazioni laser agli specchi lasciati sulla superficie lunare dalle missioni Apollo e LunoKhod, dimostra che la fisica fondamentale ha ancora moltissimo da scoprire e verificare anche ‘nel giardino di casa’, studiando lo spazio circumterrestre attorno al nostro pianeta”.
Trent’anni di osservazioni
Per ottenere questo risultato i ricercatori e le ricercatrici hanno analizzato circa trent’anni di misure di Satellite Laser Ranging effettuate sui satelliti geodetici LAGEOS I e LAGEOS II, due satelliti passivi progettati proprio per studi di geodesia e fisica gravitazionale. Ricoperti da centinaia di retroriflettori, i satelliti vengono continuamente ‘illuminati’ da impulsi laser provenienti dalle stazioni dell’International Laser Ranging Service, tra cui la stazione di Matera dell’Agenzia Spaziale Italiana.
Misurando il tempo impiegato dalla luce per raggiungere il satellite e tornare a terra è possibile determinarne la distanza con precisione millimetrica e ricostruirne l’orbita con accuratezza centimetrica. L’eventuale violazione dell’invarianza di Lorentz produrrebbe una minuscola oscillazione annuale nell’orbita dei satelliti. Rivelare un segnale così debole richiede però di distinguerlo dalle numerose perturbazioni che agiscono continuamente sul loro moto.
“Isolare un segnale così infinitesimale in mezzo al caos delle perturbazioni dello spazio vicino alla Terra è stato come cercare il classico ago in un pagliaio orbitale”, spiega Massimo Bassan, già professore all’Università di Roma Tor Vergata e ricercatore associato all’INFN. “I satelliti LAGEOS sono continuamente disturbati dal campo gravitazionale asimmetrico del pianeta, dalle maree, dalla pressione della luce solare – sia diretta sia riflessa dalla Terra – e dalle spinte termiche”.
Per superare questo sbarramento il gruppo di ricerca ha applicato algoritmi di filtraggio ultra-selettivi.
“Abbiamo sviluppato – spiega Massimo Visco, ricercatore INAF associato all’INFN – una strategia di analisi che combina matematicamente le orbite dei due satelliti eliminando la principale sorgente di errore sistematico. Abbiamo utilizzato una tecnica di Phase-Sensitive Detection capace di isolare selettivamente il solo segnale ricercato. A garanzia dell’assoluta solidità del risultato, abbiamo condotto l’analisi su due software di calcolo completamente indipendenti. In questa delicata fase di validazione, il ruolo della collaborazione internazionale è stato cruciale, in particolare grazie al collega spagnolo José C. Rodriguez che ha gestito le analisi con il codice britannico SATAN, mentre il collega dell’INAF Roberto Peron le ha effettuate con GEODYN II, sviluppato dalla NASA. Le due analisi hanno fornito risultati pienamente concordanti”.
Einstein resiste, ma la ricerca continua
Il risultato finale è netto: non è stata osservata alcuna violazione dell’invarianza locale di Lorentz. Ancora una volta, la relatività generale descrive con straordinaria precisione il comportamento della gravità nel Sistema Solare. Questo ‘risultato nullo’ rappresenta tuttavia un importante avanzamento della fisica fondamentale.
Restringendo ulteriormente il valore possibile del parametro α₁, lo studio pone nuovi vincoli ad alcune teorie alternative della gravitazione, come la teoria Einstein-aether e i modelli di gravità quantistica di Hořava-Lifshitz nel loro limite di basse energie, riducendone sensibilmente lo spazio dei parametri compatibili con gli esperimenti.
Un investimento nella fisica della gravitazione
Il risultato testimonia l’efficacia della collaborazione tra istituzioni italiane ed europee. Negli ultimi anni l’INFN ha investito in modo crescente nello studio della gravità, dai test di precisione nel regime dei campi deboli fino alle osservazioni delle onde gravitazionali con Virgo e ai futuri esperimenti, come LISA ed Einstein Telescope.
Le verifiche sperimentali della gravità nei campi deboli e in quelli forti sono infatti complementari: insieme permettono di mettere alla prova la relatività generale in condizioni molto diverse e di cercare eventuali indizi di una teoria più generale capace di unificare la gravità con la meccanica quantistica. Per il momento, però, la teoria di Einstein continua a superare brillantemente ogni test.
INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
