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0347. Esiste una teoria che predica esistenza dell' antigravità?

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Esiste una teoria che predica esistenza dell'antigravità? La fisica "canonica" ritiene possibile l'esistenza di un tale campo? (Andrea)

 

sem_esperto_rossoIl nostro web-nauta ci chiede informazioni su aspetti molto avanzati della Relatività Generale (RG) icona_glossario e delle teorie sull'espansione dell'Universo. Prima di rispondere ricordiamo che in ScienzaPerTutti abbiamo già trattato alcuni aspetti di questo argomento, anche in forma più semplice, nelle risposte icona_esperto[102],icona_esperto[111],icona_esperto[123], icona_esperto[136],icona_esperto[188]icona_esperto[269]. La teoria della Relatività Generale di Albert Einstein icona_biografiaicona_chimica  è attualmente la teoria più accreditata a descrivere la gravità. Proposta da Einstein dopo circa un decennio di ricerche che seguirono la Relatività Speciale icona_glossario del 1905, la RG è considerata dai fisici teorici forse la più elegante tra le teorie fisiche, basata sull'unificazione dei due concetti classici di tempo e spazio in un unico descritto per via geometrica: lo spazio-tempo curvo. In RG lo spazio tempo è curvo a causa della presenza dei corpi celesti e della loro massa, e più in generale a causa della presenza delle varie forme di energia, inclusa quella del campo gravitazionale stesso. In effetti, in RG la curvatura è l'espressione diretta del campo gravitazionale: più questo è intenso più lo spazio-tempo è curvo , fino al caso estremo in cui la curvatura diventa infinita, caso nel quale si parla di 'singolarità dello spazio tempo'. Per esempio, la soluzione delle equazioni delle RG che descrive un buco nero è una soluzione senza alcun tipo di materia (si parla di soluzione 'del vuoto'), ma è anche l'esempio paradigmatico di spazio-tempo curvo in cui la curvatura diventa infinita all'interno del buco nero stesso. Il buco nero rappresenta ciò che resta del collasso gravitazionale di una stella (o anche di milioni di stelle, come il buco nero osservato al centro della nostra galassia, la Via Lattea), ma la stella è sparita, è rimasto solo il suo campo gravitazionale. Il buco nero è detto cosí non solo perchè nulla che entri può uscirne, ma anche perché geometricamente può essere rappresentato come un imbuto con un buco infinito, che rappresenta appunto la singolarità di curvatura. Un altro esempio di curvatura prodotta da pura energia può essere dato dalla cosmologia. La cosmologia teorica contemporanea è basata sulla RG: se consideriamo un modello di Universo riempito in modo omogeneo di pura radiazione elettromagnetica icona_glossario , questo è dato da uno spazio-tempo curvo, tanto curvo che infatti prevede il Big Bang , cioè un tempo iniziale, un luogo dello spazio-tempo dove la curvatura diventa infinita. Difatti, le osservazioni astronomiche, in particolare il fondo cosmico di microonde, ci dicono che il modello di pura radiazione descrive con ottima approssimazione l'Universo durante la cosidetta 'era della radiazione', da uno stato di energia elevatissima fino a poco prima che il fondo a micro-onde fosse emesso, era che è poi seguita fino al presente dalla 'era della materia'. Infine, è da sottolineare come lo spazio-tempo e la curvatura non sono dati e fissati, ma si modificano in modo dinamico, in parallelo con il moto della materia-energia: le equazioni delle RG possono essere riassunte dicendo che 'lo spazio tempo curvo dice alla materia come muoversi, e la materia dice allo spazio-tempo come curvarsi'. A parte il suo fascino come teoria, la RG è cosí ben accetta tra i fisici perchè è allo stato attuale la teoria col più alto grado di verifica sperimentale. Tuttavia, ci sono aspetti della RG che ancora non sono verificati. La predizione più elusiva della RG è l'esistenza di onde gravitazionali. La loro esistenza è verificata in modo indiretto, da osservazioni astronomiche, ma saranno i risultati di nuovi esperimenti icona_linkesterno icona_linkesterno(a terra e su satelliti) attualmente in corso o in via di sviluppo a confermare o smentire la loro esistenza in modo diretto. Più in generale, per i fisici un limite fondamentale della RG è che è una teoria 'classica', essa cioè non tiene conto della natura 'quantistica' che, si ritiene, ogni teoria deve avere in date circostanze, cioè ad altissime energie. Inoltre, cosí come è verificato sperimentalmente che l'elettromagnetismo e la 'forza debole' sono unificate da una unica teoria 'elettro-debole' ad energie sufficientemente elevate (ma comunque raggiungibili da esperimenti sulla terra), si pensa che ad energie via via più alte prima 'forza forte' poi la gravità debbano essere tutte unificate in una unica teoria. Ad energie sufficientemente alte, possibili solo in cosmologia e forse in alcuni fenomeni astrofisici, si ritiene che la RG debba essere soppiantata da una teoria quantistica della gravità, di cui la RG è il limite 'a basse energie'. In altre parole, non si tratta tanto di stabilire se la RG è 'giusta' o 'sbagliata', ma di stabilirne il limite di validità, nello stesso modo in cui abbiamo capito, con gli esperimenti e le osservazioni astronomiche, che la teoria gravitazionale di Newton icona_biografia è un'ottima teoria per il sistema solare, a parte per Mercurio che, essendo cosí vicino al sole, risente di 'effetti relativistici', ossia del fatto che la RG è, a quella distanza dal sole, una teoria più precisa. Nello stesso modo, quando si considerano i buchi neri icona_glossario e le stelle di neutroni icona_glossario  o la cosmologia icona_glossario , la teoria Newtoniana può dare una descrizione molto limitata della realtà. A tutt'oggi non è stata formulata nessuna teoria soddisfacente che dia una descrizione quantistica della gravità. Esistono però molte teorie gravitazionali che generalizzano o modificano la RG, sia per considerare eventuali effetti quantistici che per proporre altre modifiche della RG, per esempio a grandissime distanze come quelle in gioco in cosmologia. In fisica, quando si considera una distribuzione di materia o radiazione, è spesso utile rappresentarla come un fluido continuo, caratterizzato da una densità di massa-energia e da una pressioneicona_glossario . Una caratteristica fondamentale della RG che la distingue dalla teoria Newtoniana è che il campo gravitazionale è generato non solo dalla densità di massa-energia, ma anche dalla dalla pressione ad essa associata. La gravità, sia Newtoniana che di Einstein, è attrattiva se è associata ad una decelerazione, cioè una accelerazione negativa. Se chiamiamo 'a' l'accelerazione, in teoria Newtoniana a = - K m dove K è un numero positivo e m rappresenta la distribuzione di massa-energia, anche questa descritta da un numero positivo. Dunque in teoria Newtoniana l'accelerazione può essere solo negativa, e quindi la gravità solo attrattiva. In RG invece a = -K (m+3 p), dove K ed m hanno lo stesso significato, e p è la pressione. Poichè p può anche assumere valori negativi, ne segue che se p <-m/3 l'accelerazione a può diventare positiva. A parole, in RG se si ha una sufficiente pressione negativa la gravità può essere repulsiva. Se dunque per anti-gravità intendiamo una gravità repulsiva, questa è possibile in RG, nonchè in varie altre teorie che tentano di generalizzare la RG. Una pura radiazione ha pressione p=m/3, mentre la materia 'normale' è bene descritta Ð ai fini cosmologici Ð da una pressione assolutamente trascurabile, cioè p=0. Dunque in cosmologia, secondo la formula data sopra, durante l'era della radiazione e poi della materia l'accelerazione è negativa, cioè l'universo di espande a partire dal Big Bang , ma in modo decelerato (cioè la velocità di espansione diminuisce col tempo). Questa teoria dell'Universo in espansione decelerata, frutto dell'applicazione alla cosmologia della RG, è corroborata da tantissime osservazioni astronomiche. Tuttavia, negli ultimi anni molte nuove osservazioni fanno ritenere che l'Universo stia passando, in epoche recenti (in senso cosmologico, cioè solo negli ultimi miliardi di anni), da una fase decelerata ad una accelerata. Affinchè questo sia possibile, al presente l'espansione dell'universo deve essere dominata da una forma di materia con pressione sufficientemente negativa. Il caso più semplice è quello della cosidetta 'costante cosmologica' per cui è esattamente p=-m, che da a=2Km. Tuttavia, questa possibilità è ritenuta poco soddisfacente dai fisici teorici: lo stesso Einstein, che fu il primo a introdurre un termine di costante cosmologica nelle sue equazioni, a quanto pare considerava questo il suo più grande errore. Inoltre se si basa la teoria su questa possibilità il confronto con alcune osservazioni astronomiche sembra al presente non del tutto soddisfacente. Per questo motivo negli ultimi anni sono allo studio varie forme di materia con pressione negativa in grado di spiegare l'accelerazione osservata dell'universo, forme di materia che vanno sotto il nome collettivo di Energia Oscura icona_glossario o 'Dark Energy'.

Marco Bruni - Fisico


 

 
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