Cosa causa la gravità sulla Terra?

La maggior parte delle persone, scientificamente orientate o meno, ha almeno una vaga idea che una certa quantità o concetto chiamato "gravità" sia ciò che tiene gli oggetti, inclusi se stessi, legati alla Terra. Capiscono che questa è una benedizione in generale, ma meno in certe situazioni, ad esempio quando sono appollaiati su un ramo di un albero e un po' incerti su come tornare a terra illesi o quando si cerca di stabilire un nuovo record personale in un evento come il salto in alto o il palo volta.

È forse difficile apprezzare la nozione di gravità stessa fino a vedere cosa succede quando la sua influenza è diminuita o cancellato, come quando si guardano filmati di astronauti su una stazione spaziale in orbita attorno al pianeta lontano dalla Terra superficie. E in verità, i fisici hanno poca idea di cosa alla fine "causa" la gravità, non più di quanto possano dire a nessuno di noi perché l'universo esiste in primo luogo. I fisici, tuttavia, hanno prodotto equazioni che descrivono ciò che la gravità fa eccezionalmente bene, non solo sulla Terra ma in tutto il cosmo.

Oltre 2000 anni fa, gli antichi pensatori greci hanno escogitato molte idee che hanno ampiamente resistito alla prova del tempo e sono sopravvissute alla modernità. Hanno compreso che oggetti lontani come pianeti e stelle (le vere distanze dalla Terra di cui, ovviamente, gli osservatori non avevano modo di sapere) erano, in effetti, fisicamente legati l'uno all'altro nonostante presumibilmente non avessero nulla come cavi o funi che li collegassero connecting insieme. In assenza di altre teorie, i greci proposero che i movimenti del sole, della luna, delle stelle e dei pianeti fossero dettati dai capricci degli dei. (In effetti, a quei tempi tutti i pianeti che si sa prendevano il nome da divinità.) Sebbene questa teoria fosse chiara e decisiva, non era verificabile, e quindi non era altro che un sostituto per un'analisi più soddisfacente e scientificamente rigorosa spiegazione.

Fu solo da circa 300 a 400 anni fa che astronomi come Tycho Brahe e Galileo Galilei riconobbero che, contrariamente a quanto insegnamenti allora vicini a 15 secoli fa, la Terra e i pianeti ruotavano attorno al sole, piuttosto che la Terra essendo al centro del universo. Ciò ha aperto la strada alle esplorazioni della gravità come è attualmente intesa.

Un modo di pensare all'attrazione gravitazionale tra gli oggetti, espressa dal compianto fisico teorico Jacob Bekenstein in un saggio per CalTech, è come "forze a lungo raggio che i corpi elettricamente neutri esercitano l'uno sull'altro a causa del loro contenuto di materia". Questo è, mentre gli oggetti possono subire una forza a causa delle differenze di carica elettrostatica, la gravità invece risulta in una forza a causa del puro massa. Tecnicamente, tu e il computer, il telefono o il tablet su cui stai leggendo questo articolo esercitate forze gravitazionali su l'un l'altro, ma tu e il tuo dispositivo abilitato a Internet siete così piccoli che questa forza è virtualmente non rilevabile. Ovviamente, per oggetti della scala di pianeti, stelle, intere galassie e persino ammassi di galassie, è tutta un'altra storia.

Isaac Newton (1642-1727), considerato una delle menti matematiche più brillanti della storia e uno dei co-inventori del campo del calcolo, propose che la forza di gravità tra due oggetti è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro. Questo assume la forma dell'equazione:

dove F_grave è la forza gravitazionale in newton, m₁ e m₂ sono le masse degli oggetti in chilogrammi, r è la distanza che separa gli oggetti in metri e il valore della costante di proporzionalità G è 6,67 × 10^-11 (N ⋅ m²)/kg².

Anche se questa equazione funziona egregiamente per gli scopi quotidiani, il suo valore diminuisce quando gli oggetti in sono relativistiche, cioè descritte da masse e velocità ben al di fuori del tipico umano Esperienza. È qui che entra in gioco la teoria della gravità di Einstein.

Nel 1905, Albert Einstein, il cui nome è forse il più riconoscibile nella storia della scienza e il più sinonimo di imprese a livello di genio, pubblicò la sua teoria della relatività ristretta. Tra gli altri effetti che questo ebbe sul corpus esistente di conoscenze fisiche, mise in discussione l'assunto insito in quello di Newton concetto di gravità, che è quella gravità in effetti operata istantaneamente tra oggetti indipendentemente dalla loro vastità separazione. Dopo che i calcoli di Einstein hanno stabilito che la velocità della luce, 3 × 10⁸ m/s o circa 186.000 miglia al secondo, posto un limite superiore alla velocità con cui qualsiasi cosa poteva essere propagata nello spazio, le idee di Newton sembravano improvvisamente vulnerabili, almeno in certi casi. In altre parole, mentre la teoria gravitazionale newtoniana continuava a funzionare in modo ammirevole in quasi tutti i contesti immaginabili, chiaramente non era una descrizione universalmente vera della gravità.

Einstein trascorse i successivi 10 anni a formulare un'altra teoria, una che avrebbe riconciliato la gravitazionale di base di Newton quadro con il limite superiore la velocità della luce ha imposto, o sembrava imporre, a tutti i processi nell'universo. Il risultato, introdotto da Einstein nel 1915, fu la teoria della relatività generale. Il trionfo di questa teoria, che costituisce la base di tutte le teorie gravitazionali fino ai giorni nostri, è che inquadrava il concetto di gravitazione come manifestazione della curvatura dello spazio-tempo, non come forza per force se. Questa idea non era del tutto nuova; il matematico Georg Bernhard Riemann aveva prodotto idee correlate nel 1854. Ma Einstein aveva così trasformato la teoria gravitazionale da qualcosa di puramente radicato nelle forze fisiche in un teoria basata sulla geometria: proponeva una quarta dimensione de facto, il tempo, per accompagnare le tre dimensioni spaziali che erano già familiare.

Una delle implicazioni della teoria della relatività generale di Einstein è che la gravità operava indipendentemente dalla massa o dalla composizione fisica degli oggetti. Ciò significa che, tra l'altro, una palla di cannone e una biglia caduta dall'alto di un grattacielo cadranno verso terra a la stessa velocità, accelerata esattamente nella stessa misura dalla forza di gravità nonostante uno sia molto più massiccio dell'altro. (È importante notare per completezza che questo è tecnicamente vero solo nel vuoto, dove la resistenza dell'aria non è un problema. Una piuma cade chiaramente più lentamente di un lancio del peso, ma nel vuoto non sarebbe così.) Questo aspetto dell'idea di Einstein era abbastanza verificabile. Ma che dire delle situazioni relativistiche?

Nel luglio 2018, un team internazionale di astronomi ha concluso uno studio su un sistema a tre stelle a 4.200 anni luce dalla Terra. Un anno luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno (circa sei trilioni di miglia), questo significa che gli astronomi qui sulla Terra erano osservando fenomeni rivelatori di luce che si verificarono effettivamente intorno al 2.200 a.C. Questo insolito sistema è costituito da due stelle minuscole e dense: una a "pulsar" che ruota sul suo asse 366 volte al secondo, e l'altra una nana bianca - orbitando l'una intorno all'altra con un periodo notevolmente breve di 1,6 giorni. Questa coppia, a sua volta, orbita intorno a una nana bianca più distante ogni 327 giorni. In breve, l'unica descrizione della gravità che potrebbe spiegare i reciproci movimenti frenetici delle tre stelle in questo sistema altamente insolito era la teoria della relatività generale di Einstein - e le equazioni, infatti, si adattano alla situazione perfettamente.