La Gravità


A cura di Franco Palerno, ricercatore di fisica della particelle presso l’Università di Boston

Ho notato in recenti discussioni del gruppo, che vi è un poco di confusione su cosa sia l’interazione gravitazionale, cominciamo da qui, meglio interazione che forza, riporto qui le definizioni di interazione e forza:

INTERAZIONE

In fisica, ogni reciproca azione o influenza fra particelle, corpi o sistemi, che porta a una modifica del loro stato e della loro energia.

FORZA

Qualsiasi causa capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un corpo.

Analizziamo la gravità

Dunque torniamo alla Gravità, precedentemente ad Einstein (Newton) ed alla relatività (e purtroppo anche oggi nei discorsi generali ed anche in articoli scientifici) la gravità era vista come una forza attrattiva fra due corpi, come due poli opposti di due calamite (interazione elettromagnetica).

Questa visione che era l’unica possibile prima della relatività, ma, purtroppo anche oggi nell’uso comune e, ripeto anche in ambiti di divulgazione scientifica, per motivi di semplificazione si continua a diffondere porta ad una confusa e direi errata interpretazione della gravità.

In realtà la gravità non è una forza come le altre, ma una proprietà della materia di deformare lo spazio-tempo. Più precisamente, la gravità non è un’interazione a distanza fra due masse, ma un fenomeno mediato dalla deformazione dello spazio-tempo. La presenza di massa o energia (piccole masse a velocità relativistiche o grandi masse molto più lente sono equivalenti) determina una curvatura della geometria o più tecnicamente, della struttura metrica dello spazio-tempo.

Il sistema solare. Credit:NASA

Volendo fare un esempio su una superficie a due dimensioni, secondo la teoria di Newton lo spazio era una superficie piana in cui i corpi si attiravano l’un l’altro in virtù di una forza attrattiva, per visualizzare l’idea pensiamo ad un tavolo da bigliardo. In cui le sfere si muovono sulla superficie.

Secondo Einstein invece lo spazio è come un materasso, la cui superficie è ricoperta da affossamenti dovuti alla presenza di massa/energia, ed in cui le sfere vengono influenzate nei loro movimenti dagli affossamenti stessi, che vengono deviati dalle loro traiettorie.

Ora facciamo una precisazione, nello spazio nessun oggetto è “fermo”, solo per astrazione si assume che il punto di vista di un osservatore sia immobile mentre gli altri oggetti siano in movimento. Mi spiego, se osserviamo la galassia di Andromeda essa pare muoversi verso la Via Lattea, ma se ci teletrasportassimo su un pianeta nella galassia di Andromeda, osservando il cielo vedremmo invece la Via Lattea che si muove verso Andromeda. Dunque chi si muove? Andromeda? La Via Lattea? Tutte e due? Non esiste una risposta, perché non esiste un punto di riferimento da poter definire “fermo” in senso assoluto.

Detto questo tenete conto che i satelliti orbitano intorno ai pianeti, i pianeti orbitano intorno alle stelle, le stelle orbitano intorno al centro di massa delle galassie, le galassie si muovono intorno al centro di massa degli ammassi locali, gli ammassi locali si muovono nell’ambito dei superammassi galattici, inoltre l’universo intero è in espansione per cui gli oggetti al suo interno, su grande scala, sono in movimento l’uno rispetto all’altro. Insomma NULLA è veramente fermo.

E ripeto tutte le traiettorie di tutti gli oggetti sono influenzate, curvate dalla deformazione dello spazio provocata dalla presenza delle masse.

Accettato il fatto che i corpi non si attirano come calamite, se lo spazio non fosse distorto dalle masse tutti i movimenti di tutti i corpi sarebbero delle linee rette. Facciamo un esempio la Terra orbita intorno al Sole, all’interno del pozzo gravitazionale solare, ma, se il Sole scomparisse la Terra partirebbe per la tangente e comincerebbe a muoversi in linea retta (in realtà orbiterebbe intorno al centro galattico, ma era per rendere l’idea).

In definitiva le traiettorie dei corpi nello spazio SONO delle linee rette, ma dato che lo spazio si incurva, si incurvano anche le traiettorie rette. Possiamo immaginare un treno che percorre un tratto di binari in linea retta, ora se intervenisse una forza che incurvasse i binari il treno non potrebbe fare altro che seguirli.

Così fa la Terra, essa si muove su dei binari in linea retta, ma il Sole incurva questi binari intorno a se, per cui dato che la Terra non può che seguire i binari orbiterà intorno al sole.

Ora si potrebbe dire ma perché dovremmo accettare il fatto che la gravità sia una interazione distorsiva invece che una forza attrattiva? Molti potrebbero dire a me sembra più logica la forza attrattiva, a me piace di più l’altra teoria.

Beh la scienza non funziona a logica personale (o umana in generale) o a preferenza, funziona secondo le proprie leggi, a prescindere che ci piacciano o ci sembrino logiche, parafrasando Galileo “la scienza non si decide a maggioranza”.

La teoria della relatività, ove prevede la distorsione spazio-temporale ha ricevuto numerosissime conferme, da osservazioni e studi molteplici, l’effetto “lente gravitazionale” dovuto alla deflessione che la luce subisce quando rasenta una zona spaziale con la presenza di una grande massa, la rilevazione avvenuta recentemente delle onde gravitazionali, la spiegazione che la teoria della relatività è riuscita a dare del fenomeno della precessione del perielio di Mercurio.

Insomma le prove sperimentali sono molteplici e ripetute e non spiegabili con la teoria attrattiva.

Precessione del perielio di Mercurio

Inoltre la teoria di Einstein è suffragata da calcoli matematici precisi e che si sono dimostrati corretti da un secolo nel calcolare e spiegare correttamente gli effetti della gravità, e non solo ma sono serviti a fare previsioni su fenomeni che, in fase di studio successivo si sono poi dimostrati reali.

Le equazioni che stanno alla base di ciò sono le equazioni di campo di Einstein, e quella che descrive la curvatura dello spazio-tempo in funzione della densità di materia/energia è questa (la mostro in deroga ai miei principi di non usare formule, ma per far capire che esistono calcoli seri, e dimostratisi corretti alla base delle teorie illustrate): (cit.formula e dettagli da Wikipedia)

Dove

R μ ν  è il tensore di curvatura di Ricci;

R  la curvatura scalare, ossia la traccia di R μ ν

g μ ν  il tensore metrico;

Λ  la costante cosmologica;

T μ ν  il tensore stress-energia;

c  la velocità della luce;

G  la costante di gravitazione universale.

Ora so di avere portato come esempi fatti, formule e termini che per chi non ha studiato fisica sono probabilmente duri da digerire, ma dove sono stato un poco tecnico era per far capire che ciò che esponevo non erano mie idee o cose campate in aria, ma cose osservate, sperimentate, comprovate e calcolate.

Purtroppo se dovessi spiegare ora ogni cosa complessa scritta in questo articolo, esso diventerebbe un libro, e per lo stesso motivo di brevità vi prego di non chiedere la spiegazione di ogni singolo punto nei post, le risposte sarebbero chilometriche, semmai scrivete, raccoglierò le domande e, sulle cose più richieste vi assicuro che nel prossimo futuro (tempo ed impegni permettendo) scriverò articoli di spiegazione.

Per quanto riguarda gli esempi semplici (bigliardo, materasso, treno eccetera assi vanno intesi non come verità scientifiche ma come artifici esemplificativi di singoli concetti, vi prego non elevateli a verità generali.

 

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Milky Way over Chilean Volcanoes

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