Lo specchio sulla Luna

di Paolo Cavallo

Sulla Luna c’è uno specchio. Ce n’è più d’uno, a dir la verità. Gli astronauti delle missioni Apollo 11, 14 e 15 ne hanno tutti lasciato uno, che guarda verso la Terra. “Guardare” è proprio il termine giusto. Perché questi specchi, detti retroriflettori, hanno una caratteristica molto utile. Da qualunque angolo li si osservi, lo specchio rimanda l’immagine dell’osservatore. Lo segue, per così dire, con gli occhi…

La prima cosa da spiegare è cosa ci faccia uno specchio sulla Luna. Serve a misurare in maniera estremamente precisa la distanza fra la Terra e la Luna. Tutto comincia con la velocità della luce nel vuoto, che è una delle costanti universali meglio conosciute di tutta la fisica, e vale esattamente 299 792 458 m/s. Esattamente: infatti il metro è definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in 1/299 792 458 s.

Supponiamo di inviare un fascio di luce verso la Luna e di misurare il tempo che ci mette a tornare indietro: circa due secondi e mezzo. Immaginiamo di misurare questo intervallo di tempo con molta precisione, diciamo con una precisione di un picosecondo, ovvero di un millimiliardesimo di secondo, o 10-12 s. (I nostri migliori cronometri sono un milione di volte più precisi di così, ne abbiamo già parlato.) Allora potremo conoscere la distanza Terra-Luna con una precisione di un millimiliardesimo del suo valore, il che equivale a pochi millimetri.

Non che sia facile. Le turbolenze dell’atmosfera rendono incerto il valore della velocità della luce e vanno adeguatamente compensate nei calcoli. Ma questa è la parte meno complicata. Le turbolenze sono casuali e comportano deviazioni dal risultato corretto che sono con la stessa probablità in eccesso o in difetto: basta effettuare molte misure e poi prendere la media fra esse, per correggere l’errore. Certo, se vogliamo una grande precisione dobbiamo fare centinaia di migliaia di misure. Ma questo è soltanto un problema pratico, niente di più.

Un altro problema è che l’esperimento non si può fare con una torcia tascabile. (Ci avevate già fatto un pensierino? Peccato…) La luce della torcia si sparpaglia su un’area sempre più grande a mano a mano che si allontana e diventa rapidamente troppo debole. Serve una sorgente luminosa molto più intensa e soprattutto ci serve un fascio che si sparpagli il meno possibile. Che sia, come dice in linguaggio tecnico, molto ben collimato. Useremo un raggio laser, naturalmente. È per questo che la tecnica si chiama LLR, Lunar Laser Ranging.
Anche un laser, però, si sparpaglia almeno un po’. E poi, noi vogliamo che lo faccia. Se il nostro fascio fosse troppo stretto, sarebbe troppo difficile farlo cadere esattamente sullo specchio, che è un bersaglio di pochi metri posto a quasi 400 000 km di distanza. Il fascio usato dal McDonald Observatory in Texas è largo 6,5 km quando colpisce la Luna.

Anche così, intercettare lo specchio è come colpire una monetina a 3 km di distanza — e la Luna non sta neanche ferma! Spalmata su un’area così ampia, l’intensità del fascio è estremamente debole. Così debole che nelle condizioni migliori torna indietro meno di un fotone (una singola particella di luce) al secondo.

Ma a che serve tanta precisione? Qual è l’utilità scientifica di conoscere con una precisione di qualche millimetro la distanza fra lo specchio da 30 pollici dell’esperimento LLR e lo specchio lasciato sulla Luna da Buzz Aldrin e Neil Armstrong nel 1969? Il fatto è che, se conosciamo quella particolare distanza con grande precisione, possiamo misurare anche le piccolissime variazioni che essa subisce nel tempo. Queste variazioni hanno una grande importanza teorica.

Una delle domande più interessanti a cui lo LLR cerca di dare una risposta accurata è questa: C’è differenza nel modo in cui la Terra e la Luna sono attratte dal Sole? Per effetto della gravità del Sole, entrambi i corpi celesti cadono verso quest’ultimo; ma poiché hanno anche un moto perpendicolare alla distanza che li separa dal Sole, non cadono davvero sul Sole, ma intorno ad esso.

Ciascuno di noi, abitanti della Terra, lo fa. Oggi è una bella giornata di sole, e io sto cadendo verso l’astro luminoso con una accelerazione di circa 6 mm/s2. Anche voi, però. Anche la mia sedia, che infatti non resta indietro mentro io mi sollevo lentamente ma inesorabilmente. L’intero pianeta ha un’accelerazione di 6 mm/s2 verso il Sole, e come risultato nessuno se ne accorge.

È lo stesso principio del fenomeno detto “assenza di peso” per gli astronauti in orbita. In realtà gli astronauti pesano eccome verso la Terra: altrimenti si perderebbero nello spazio, invece di restare in orbita. Il peso non smette di esserci. Ma lo Shuttle cade verso la Terra (di nuovo: intorno alla Terra) esattamente con la stessa accelerazione degli astronauti. E questi fluttuano, come succede ai passeggeri di un aereo che effettua alcuni secondi di volo in caduta libera. Lo chiamano Vomit Comet, ci sarà un motivo…

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Ma è esattamente così? Galileo, Newton e Einstein pensavano di sì. Ma se scoprissimo che la Luna cade verso il Sole con un’accelerazione lievemente diversa da quella della Terra, sarebbe un risultato straordinario. Ecco uno dei motivi per cui è importante controllare le minuscole variazioni della distanza fra il Texas e la Luna. Conosciamo il valore previsto da Newton e da Einstein, possiamo confrontarlo con gli esperimenti. E, sì, per ora hanno ancora ragione loro.

P.S. Ma come fa, lo specchio sulla Luna, a rimandare esattamente indietro la luce che gli inviamo? Perché non la riflette chissà dove, come faceva lo specchietto con il quale giocavo ai segnali Morse da ragazzo in cortile? Io vi dirò soltanto che è un retroriflettore cubico e che chiunque di voi può farsene uno in casa. Vediamo se qualcuno scopre di cosa si tratta…

Fonte: http://scienze.zanichelli.it/fisicamente/2009/03/11/lo-specchio-sulla-luna/

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Vedi: http://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_Laser_Ranging_Experiment