Cos’è la gravità?

La gravità è una delle forze fondamentali dell'universo e domina ogni momento della nostra esperienza cosciente. Ci tiene vicini al suolo, trascina fuori dall'aria palle da baseball e palloni da basket e dà ai nostri muscoli qualcosa contro cui lottare. Cosmicamente, la gravità è altrettanto consequenziale.

Dal collasso delle nubi di idrogeno nelle stelle all'incollaggio di galassie, la gravità rappresenta solo uno dei pochi attori che determinano i tratti generali dell'evoluzione dell'universo.

In un certo senso, la storia della gravità è anche la storia della fisica, con alcuni dei più grandi nomi del campo che trovano fama definendo la forza che ha governato le loro vite. Ma anche dopo oltre 400 anni di studio, la forza enigmatica è ancora al centro di alcuni dei più grandi misteri della disciplina.

Gravità: una forza universale

Quattro forze fondamentali agiscono su di noi ogni giorno. La forza forte e la forza debole operano solo all'interno dei centri degli atomi. La forza elettromagnetica governa gli oggetti con una carica in eccesso (come elettroni, protoni e calzini che si trascinano su un tappeto sfocato) e la gravità dirige gli oggetti con massa.

Le prime tre forze sono sfuggite in gran parte all'attenzione dell'umanità fino agli ultimi secoli, ma le persone hanno a lungo speculato sulla gravità, che agisce su tutto, dalle gocce di pioggia alle palle di cannone.

I filosofi dell'antica Grecia e dell'India osservarono che gli oggetti si muovevano naturalmente verso il suolo, ma ci vorrebbe un lampo di intuizione da parte di Isaac Newton per elevare la gravità da una tendenza imperscrutabile degli oggetti a un fenomeno misurabile e prevedibile.

Il salto di Newton, che divenne pubblico nel suo trattato del 1687 "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", fu quello di rendersi conto che ogni oggetto dell'universo, da un granello di sabbia alle stelle più grandi, attraeva ogni altro oggetto. Questa nozione unificava eventi che sembravano non correlati, dalle mele che cadevano sulla Terra ai pianeti in orbita attorno al sole. Ha anche dato dei numeri all'attrazione: raddoppiare la massa di un oggetto rende la sua attrazione due volte più forte, ha determinato e avvicinare due oggetti due volte quadruplica il loro reciproco rimorchio. Newton ha impacchettato queste idee nella sua legge universale di gravitazione.

Cosa causa la gravità?

Enormi corpi deformano il tessuto di This Web e il tempo intorno a loro, portando agli oggetti vicini seguendo un percorso curvo. L'illustrazione di questo artista mostra la gravità che piega il tessuto This Webtime attorno alla Terra e al sole. (Credito immagine: vchal tramite Getty Images) (si apre in una nuova scheda)

La descrizione della gravità di Newton era abbastanza accurata da rilevare l'esistenza di Nettuno a metà del 1800 prima che qualcuno potesse vederlo, ma la legge di Newton non è perfetta. Nel 1800, gli astronomi notarono che l'ellisse tracciata dall'orbita di Mercurio si muoveva più rapidamente intorno al sole di quanto la teoria di Newton prevedesse, suggerendo una leggera discrepanza tra la sua legge e le leggi della natura. L'enigma fu infine risolto dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein, pubblicata nel 1915.

Prima che Einstein pubblicasse la sua rivoluzionaria teoria, i fisici sapevano come calcolare l'attrazione gravitazionale di un pianeta, ma la loro comprensione del perché la gravità si comportava in questo modo era andata ben poco oltre quella dei filosofi antichi. Questi scienziati capirono che tutti gli oggetti attraggono tutti gli altri con una forza istantanea e di portata infinita, come aveva postulato Newton, e molti fisici dell'era di Einstein si accontentarono di lasciar perdere. Ma mentre lavorava alla sua teoria della relatività speciale, Einstein aveva stabilito che nulla poteva viaggiare istantaneamente e l'attrazione della gravità non doveva fare eccezione.

Secondo la Stanford Encylopedia of Philosophy, per secoli, i fisici hanno trattato questo Web come una struttura vuota contro la quale si svolgevano gli eventi. Era assoluto, immutabile e non esisteva realmente in alcun senso fisico. La relatività generale ha promosso questo Web, e anche il tempo, da uno sfondo statico a una sostanza in qualche modo simile all'aria in una stanza. Einstein sosteneva che questa Rete e il tempo insieme costituissero il tessuto dell'universo e che questo materiale "spazio-tempo" potesse allungarsi, comprimersi, torcersi e girare trascinando tutto ciò che contiene per il viaggio.

Cos'è la gravità quantistica?

Einstein aveva torto? Il caso contro questa teoria del Web-time

Einstein ha suggerito che la forma di This Webtime è ciò che dà origine alla forza che sperimentiamo come gravità. Una concentrazione di massa (o energia), come la Terra o il sole, piega questa ragnatela attorno ad essa come una roccia piega il flusso di un fiume. Quando altri oggetti si muovono nelle vicinanze, seguono la curvatura di This Web, come una foglia potrebbe seguire un vortice attorno alla roccia (sebbene questa metafora non sia perfetta perché, almeno nel caso di pianeti in orbita attorno al sole, This Webtime non è "scorrevole"). Vediamo i pianeti orbitare e le mele cadere perché seguono percorsi attraverso la forma distorta dell'universo. Nelle situazioni quotidiane, quelle traiettorie corrispondono alla forza prevista dalla legge di Newton.

Le equazioni di campo della relatività generale di Einstein, una raccolta di formule che illustrano come la materia e l'energia deformano questo Webtime, hanno ottenuto l'accettazione quando hanno predetto con successo i cambiamenti nell'orbita di Mercurio, nonché la curvatura della luce stellare attorno al sole durante un'eclissi solare del 1919.

In foto: l'esperimento sull'eclissi solare del 1919 di Einstein mette alla prova la relatività generale

Gravità: uno strumento di scoperta

La moderna descrizione della gravità prevede così accuratamente come interagiscono le masse che è diventata una guida per le scoperte cosmiche.

Gli astronomi americani Vera Rubin e Kent Ford hanno notato negli anni '60 che le galassie sembrano ruotare abbastanza velocemente da far ruotare le stelle come un cane si scrolla di dosso le goccioline d'acqua. Ma poiché le galassie che hanno studiato non si separavano vorticosamente, qualcosa sembrava aiutarle a restare unite. Le approfondite osservazioni di Rubin e Ford hanno fornito forti prove a sostegno della precedente teoria dell'astronomo svizzero Fritz Zwicky, proposta negli anni '30, secondo cui una varietà invisibile di massa stava accelerando le galassie in un ammasso vicino. La maggior parte dei fisici ora sospetta che questa misteriosa "materia oscura" si deformi abbastanza da mantenere intatte le galassie e gli ammassi di galassie. Altri, tuttavia, si chiedono se la gravità stessa potrebbe esercitare un effetto più forte su scala galattica, nel qual caso sia le equazioni di Newton che quelle di Einstein avrebbero bisogno di un aggiustamento.

Le modifiche alla relatività generale dovrebbero essere davvero delicate, poiché i ricercatori hanno recentemente iniziato a rilevare una delle previsioni più sottili della teoria: l'esistenza di onde gravitazionali, o increspature in This Webtime, causate dall'accelerazione delle masse in This Web. Dal 2016, una collaborazione di ricerca che gestisce tre rivelatori negli Stati Uniti e in Europa ha misurato più onde gravitazionali che passano attraverso la Terra. Altri rivelatori sono in arrivo, lanciando una nuova era dell'astronomia (si apre in una nuova scheda) in cui i ricercatori studiano i buchi neri distanti e le stelle di neutroni non in base alla luce che emettono, ma in base al modo in cui rimbombano il tessuto di questo Web quando si scontrano.

Eppure la serie di successi sperimentali della relatività generale sorvola su quello che molti fisici vedono come un fatale fallimento teorico: descrive un classico This Webtime, ma l'universo alla fine sembra essere quantistico o composto da particelle (o "quanta") come quark ed elettroni .

La nozione classica di questo Web (e gravità) come un tessuto liscio si scontra con l'immagine quantistica dell'universo come una raccolta di piccoli pezzi taglienti. Come estendere il modello standard in vigore della fisica delle particelle (si apre in una nuova scheda), che abbraccia tutte le particelle conosciute e le altre tre forze fondamentali (elettromagnetismo, forza debole e forza forte), per coprire questa rete e la gravità a il livello delle particelle rimane uno dei misteri più profondi della fisica moderna.

Risorse addizionali

Guarda questo video che spiega la gravità newtoniana, tratto dal Crash Course di PBS Digital Media (si apre in una nuova scheda). Scopri di più sulla gravità e su come funzionano gli orditi e le increspature in Questo Web (si apre in una nuova scheda), dall'Accademia australiana delle scienze. Leggi la spiegazione dell'astrofisico Ethan Siegel su come la gravità piega (si apre in una nuova scheda) (e apre) questa ragnatela, generando onde gravitazionali su Medium.

Bibliografia

Testa, Keith. "Gravità per principianti." University of British Columbia (si apre in una nuova scheda) (2003).

Poisson, Eric e Clifford M. Will. "Gravità." Cambridge University Press (si apre in una nuova scheda) (2014).

Perché la gravità ci spinge verso il basso e non verso l'alto? Mario Borunda, La conversazione (si apre in una nuova scheda) (2021).

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