Come funziona la gravità?

1. Che cos'è la gravità, cosa diceva la teoria newtoniana e che cos'è il principio di equivalenza?

• Che cos'è la gravità?
  La gravità è una delle quattro forze fisiche fondamentali - insieme all’elettromagnetismo e alle interazioni nucleari forte e debole - e quindi è un fenomeno naturale che ha effetto su tutto.
  E una proprietà della materia, di qualsiasi oggetto.
  In poche parole: tutta la materia viene attratta dal resto della materia e più materia c’è, e più sono vicini gli oggetti, più è intensa la forza attrattiva.
  A differenza dell’elettricità e del magnetismo, che possono sia respingere sia attrarre, la gravità non fa altro che attirare gli oggetti fra loro.
• Che cosa diceva la teoria newtoniana della gravità?
  Come è noto, Newton affermò di non avere un'ipotesi su come funzionasse la gravità.
  Si limitava, per descriverne gli effetti, a partire dall'idea che la gravità fosse universale, e cioè che la stessa cosa che fa cadere una mela dall'albero trattiene la Luna in orbita.
  Con questa idea, un insieme di dati astronomici e alcuni geniali esperimenti mentali, Newton riuscì a mostrare che solo tre grandezze influenzano l'attrazione gravitazionale fra due oggetti: la massa di ognuno dei due e la distanza tra loro.
  Sebbene non l’abbia mai espressa in questa forma, la sua teoria chiariva che l’attrazione gravitazionale va come l'inverso di un quadrato: l'intensità della forza si può calcolare moltiplicando le masse dei due oggetti e dividendole per il quadrato della distanza che li separa.
  Quindi la forza attrattiva della gravità aumenta al crescere delle masse di uno o dell'altro tra gli oggetti, oppure se si avvicinano.
  Questa semplice relazione fu sufficiente per spiegare quasi tutti i movimenti della Luna e dei pianeti e bastò alla NASA per calcolare una traiettoria sicura fino alla Luna per la missione Apollo.
• Che cos'è il principio di equivalenza?
  Il principio di equivalenza si basa su quella che Albert Einstein descrisse come la sua “idea più felice”, ossia “se una persona cade liberamente, non sente il proprio peso”.
  In altre parole, l'accelerazione e la gravità sono esattamente equivalenti e indistinguibili. Lo vediamo concretamente sulla Stazione Spaziale Internazionale.
  L'attrazione della gravità alla distanza dalla Terra a cui essa si trova è pari a circa il 90 per cento rispetto a quella sulla superficie.
  Il motivo per cui lassù gli astronauti fluttuano a mezz’aria è che cadono continuamente verso il nostro Pianeta.
  Potremmo aspettarci che precipitino sulla superficie terrestre, ma contemporaneamente si muovono di lato all'esatta velocità per continuare a mancare la Terra: ecco in che cosa consiste stare in orbita.
  Il principio di equivalenza mostra che l’accelerazione, per esempio di una persona che cade, e il suo peso si cancellano a vicenda.
  Einstein compì il balzo da questo suo pensiero “felice” all'ipotesi che accelerazione e gravità siano, a tutti gli effetti, la stessa cosa.
  E ciò ispirò la teoria della relatività generale, che prevede la forza di gravità e spiega come funziona.

2. Einstein smentì Newton? Quali erano le idee di Einstein sulla gravità (e le prove a sostegno)?

• Einstein smentì Newton?
  Assolutamente no. Il lavoro di Newton era stato descrittivo: aveva colto in una semplice equazione matematica ciò che si osservava.
  I suoi calcoli non ci dicono nulla su come funziona la gravità, ma come descrizione del comportamento degli eventi quotidiani funzionava benissimo, e funziona tuttora.
  Ciò che fece Einstein fu contribuire a far capire che cosa provoca la forza che descriviamo come gravità.
  Riuscì a mostrare che ci sono situazioni, in genere quelle in cui l’attrazione gravitazionale è forte, per le quali l’equazione di Newton non è un’approssimazione sufficiente.
  In questi casi, per ottenere valori più precisi, dobbiamo ricorrere a Einstein, così come per formulare previsioni che non rientrano nella struttura più semplice della fisica newtoniana.
• Quali erano le idee di Einstein sulla gravità?
  A partire dal suo principio di equivalenza, Einstein fu in grado di mostrare che i corpi dotati di massa-qualsiasi cosa, da un atomo a una stella - deformano lo spazio e il tempo, ed è questa deformazione che spiega qualcosa che Newton non era mai stato in grado di chiarire: perché la gravità possa agire a distanza.
  Come una palla da basket su un tappeto elastico circondata da biglie, gli oggetti con una massa maggiore deformano di più la struttura dello spazio-tempo, attraendo gli oggetti vicini e facendoli muovere su traiettorie ricurve.
  Ma anche i corpi più piccoli hanno un effetto: ognuno di noi esercita una minuscola forza gravitazionale su tutti gli oggetti che ci circondano.
  Dato che seguì un approccio molto diverso da quello di Newton, Einstein dovette usare un tipo differente di matematica, di cui lui stesso inizialmente sapeva poco: la matematica degli spazi curvi.
  Dovette anche tenere conto di vari effetti secondari che Newton non aveva motivo di sospettare, come la scoperta sorprendente che la gravità ha un effetto su se stessa.
  Le equazioni einsteiniane della relatività generale fanno tutto ciò che fa l'equazione di Newton nel prevedere l'intensità della forza attrattiva fra due corpi, ma dato che descrivono il modo in cui qualsiasi corpo dotato di massa deforma lo spazio e il tempo, possono dirci molto di più.
• Che prove abbiamo a sostegno della teoria di Einstein?
  C’è una quantità enorme di prove della relatività generale.
  Prima che Einstein formulasse la sua teoria, gli astronomi non riuscivano a capire un aspetto dell'orbita di Mercurio detto precessione, che fa sì che il punto in cui passa più vicino al Sole si sposta gradualmente.
  Le equazioni di Newton non spiegavano appieno questo fenomeno, mentre il lavoro di Einstein ci riesce.
  Inoltre, l'idea che la gravità sia provocata da una deformazione dello spazio e del tempo si può verificare, perché ha come conseguenza che (per esempio) un raggio di luce che passa vicino a un corpo con una grossa massa deve percorrere una traiettoria curva perché attraversa lo spazio deformato creato dal corpo.
  Lo si osservò per la prima volta con la luce che passava vicino al Sole durante un’eclissi totale nel 1919, e da allora lo si è osservato quando le galassie lontane agiscono come lenti, deviando il percorso della luce dietro di loro.
  Un’altra delle previsioni di Einstein è che vicino a un corpo con una grande massa il tempo rallenta: per questo dobbiamo correggere il segnale proveniente dai satelliti GPS che usiamo per la navigazione.
  In modo simile, un esperimento che si chiama Gravity Probe B ha mostrato che un corpo con una massa elevata in rotazione trascina con sé lo spazio-tempo come un cucchiaio nel miele, così come previsto da Einstein.

3. Che cosa ha a che fare la gravità con i buchi neri e la natura dell'Universo e cosa sono le onde gravitazionali?

• Che cosa ha a che fare la gravità con i buchi neri e la natura dell'Universo?
  Le previsioni della teoria di Einstein si ottengono solitamente risolvendo versioni semplificate delle sue equazioni.
  Una delle prime descriveva una massa compressa in cui tutta la materia si trovava in un unico punto: una “singolarità gravitazionale”.
  In seguito ci si rese conto che alcune stelle avanti con gli anni non sarebbero riuscite a resistere alla spinta della gravità e sarebbero collassate su se stesse in modo da formare un punto di questo tipo e creare un buco nero.
  La gravità in un buco nero è così intensa che neppure la luce riesce ad allontanarsene e, sebbene non se ne sia mai visto uno, le osservazioni indirette ne confermano l'esistenza.
  Analogamente, la relatività generale previde che la struttura stessa dell’Universo possa espandersi e contrarsi, il che, insieme alle osservazioni, fornisce la base per la nostra miglior teoria sulle origini del Cosmo: il Big Bang.
  Ed è sempre la relatività generale che potrà far luce sull’energia oscura, il misterioso fenomeno che sembra accelerare l’espansione dell'Universo.
• Che cosa sono le onde gravitazionali?
  Un corpo dotato di massa deforma lo spazio e il tempo, cosicché se accelera nello spazio dovrebbe increspare lo spazio-tempo che lo circonda.
  Queste increspature sono dette onde gravitazionali e tendono ad allontanarsi, in modo simile a quello in cui gli elettroni accelerati su e giù per un'antenna generano le onde elettromagnetiche delle trasmissioni radio e televisive.
  Le onde gravitazionali, che Einstein previde poco dopo aver sviluppato la sua teoria della relatività generale, dovrebbero essere prodotte in continuazione da un enorme numero di sorgenti.
  La gravità è però una forza debolissima, e quindi queste onde sono estremamente difficili da individuare.
  Quando l’esperimento LIGO, per la prima volta, ha osservato le onde gravitazionali nel settembre 2015, erano il risultato di un immane sconvolgimento dello spazio-tempo provocato da due buchi neri che si stavano unendo.
  I rivelatori di LIGO sono così sensibili che è necessario eliminare qualsiasi vibrazione, dalle automobili di passaggio alle onde lontane che si infrangono a riva.
  Le onde gravitazionali non sono importanti perché “confermano la teoria di Einstein" -ne abbiamo già prove in abbondanza- ma perché ci danno un nuovo modo per studiare l'Universo e osservare i suoi primordi, là dove non arriva neppure la luce.

4. La teoria di Einstein ci dà un quadro completo, è possibile che la gravità sia provocata da una particella subatomica ed esiste l’antigravità?

• La teoria di Einstein ci dà un quadro completo?
  Quasi certamente no.
  La relatività generale è estremamente efficace e non sbaglia un colpo quando si tratta di formulare previsioni sul comportamento di oggetti quotidiani, ma ci sono alcune situazioni - in particolare il centro di un buco nero o la descrizione dell’Universo prima del Big Bang - in cui la teoria viene meno.
  La fisica del piccolissimo è descritta con precisione impressionante dalla meccanica quantistica, ma la relatività generale e la teoria quantistica sono incompatibili.
  Tutte le altre forze della natura sono “quantizzate”, cioè sono formate da parti discrete, anziché da quantità che variano in modo continuo.
  Si ritiene che debba essere possibile sviluppare una teoria quantistica della gravità che la allineerebbe alle altre forze pur continuando a produrre gli stessi risultati della teoria di Einstein per oggetti macroscopici.
  Finora i tentativi migliori sono la teoria delle stringhe/teoria M e la gravità quantistica a loop, ma nessuna delle due ha ancora prodotto una previsione utilizzabile.
• È possibile che la gravità sia provocata da una particella subatomica?
  È molto probabile, e ha già un nome: gravitone.
  Un modo in cui la meccanica quantistica rappresenta la trasmissione di una forza come l'elettromagnetismo è come flusso di particelle portatrici dette “bosoni”: nel caso dell’elettromagnetismo la particella è il fotone.
  Ogni particella è un “quanto” - una porzione - del fenomeno quantizzato.
  Quindi, qualora la gravità fosse un effetto quantistico, ipotizziamo che esista un gravitone che ne sarebbe il portatore, ma non aspettiamoci che appaia presto nel Large Hadron Collider.
  È così improbabile che un gravitone interagisca con un'altra particella in un modo rilevabile che oggi non esiste nessun esperimento pensabile realisticamente per osservarlo.
• Esiste l’antigravità?
  A quel che ne sappiamo, no.
  A differenza dell’elettromagnetismo, la gravità è un fenomeno che agisce in una direzione sola: attrae e basta.
  Possiamo controbilanciare la gravità con altre forze; è quel che facciamo ogni volta che solleviamo qualcosa, e la cosa risulta particolarmente spettacolare se la forza opposta è l’invisibile elettromagnetismo - come quando un oggetto fluttua sopra un magnete - ma non è antigravità.
  Non conosciamo neppure nessun modo per schermare la gravità: passa attraverso qualunque cosa. Se riuscissimo ad arrestare la gravità, potremmo costruire una macchina a moto perpetuo e generare energia gratis.
  Dipingiamo con la sostanza che blocca la gravità una sola faccia delle pale di una ruota idraulica: così le pale da una parte avrebbero il lato scoperto rivolto verso la Terra e ne sentirebbero l’attrazione gravitazionale, mentre le pale dall’altra parte sarebbero schermate.
  In questo modo la ruota avrebbe in ogni momento solo un lato attratto verso il basso, e girerebbe per sempre.
  L’unica piccola probabilità di scoprire l'antigravità viene dalla possibilità che l'antimateria sia respinta dalla materia ordinaria.
  Presto gli scienziati del CERN avranno una quantità di antimateria sufficiente per verificarlo, ma la maggior parte dei fisici ritiene che si comporti esattamente come la materia normale.

5. Quello che ancora non sappiamo sulla gravità

Quello che ancora non sappiamo sulla gravità:

1. Perché la gravità è così debole
   Dato che la gravità svolge un ruolo così importante nella nostra vita quotidiana, è difficile rendersi conto di quanto sia debole.
   Quando solleviamo uno spillo con una piccola calamita, per esempio, la forza elettromagnetica della calamità è maggiore dell'attrazione gravitazionale dell’intero pianeta.
   Alcune teorie ipotizzano che questa debolezza derivi dal fatto che la gravità si "disperde” in altre dimensioni, ma è difficile avere una spiegazione verificabile senza prima mettere a punto una teoria quantistica della gravità.
2. Quando avremo una teoria quantistica della gravità
   Quasi tutti i fisici vi diranno che potrebbe accadere molto presto, ma lo dicono da quarant'anni.
   Attualmente non si è riusciti a sviluppare il principale candidato, la teoria delle stringhe, e i suoi vari rivali fino ad avere teorie complete e verificabili, nonostante ci lavorino centinaia di persone.
   La teoria delle stringhe cerca di unificare le quattro forze fondamentali: gravità, elettromagnetismo, interazione nucleare forte e interazione nucleare debole (nella foto).)
   Sembra ancora probabile che ci riusciremo, ma forse servirà una teoria completamente nuova, prima di risolvere il problema.
3. Se potremo produrre gravità a sufficienza per vivere nello spazio
   Gli oggetti viventi si deteriorano in assenza di gravità.
   Il principio di equivalenza ci dice che possiamo ottenere una gravità artificiale accelerando, ma l’unico modo per farlo costantemente senza consumare troppo carburante è con una rotazione, ma facendo ruotare un veicolo troppo piccolo si fanno venire le vertigini agli occupanti.
   Si svolgono esperimenti con la gravità artificiale fin dalla missione Gemini del 1966, ma non abbiamo ancora una soluzione realistica.