I filosofi greci pensavano che i pianeti e le stelle facessero parte dell’empireo, o regno degli dei. Secondo la loro stima, erano soggetti a quello che chiamavano “movimento naturale“.
Sebbene non abbiano mai sviluppato il concetto molto oltre, questa rimarrà come idea predominante nel pensiero occidentale fino a quando ci si dedicarono Galileo e Brahe nel XVI secolo. Il loro lavoro innescò una rivoluzione nella nostra comprensione della gravità, portando infine a Isaac Newton.
La gravità, ipotizzava Newton, è la forza che mantiene la Terra in orbita attorno al Sole. A scuola, la gravità tende a essere definita come:
In altre parole, qualsiasi cosa dotata di massa esercita una forza su qualsiasi altra cosa dotata di massa, ed esercita una forza su di essa. Maggiore è la massa degli oggetti e minore è la distanza tra loro, più forte è l’attrazione delle forze gravitazionali che esercitano l’una sull’altra.
In seguito Einstein proporrà una spiegazione molto diversa da quella di Newton per la gravità.
Secondo Einstein, la gravità è una curvatura nel continuum spazio-temporale. Essenzialmente, la massa di un oggetto fa sì che lo spazio circostante si pieghi e curvi. Ciò distorce il percorso che gli oggetti (e la luce) devono percorrere, creando l’effetto che “sentiamo” come gravità.
In effetti, qualsiasi oggetto “catturato” nella gravità di un altro corpo celeste è influenzato perché lo spazio attraverso il quale si muove è curvato verso quell’oggetto.
Einstein ha anche introdotto il concetto di “principio di equivalenza” in cui viene affermato che le forze gravitazionali e inerziali sono di natura simile e spesso indistinguibili.
Per illustrare questo concetto, immagina di essere su un’astronave senza finestre, incapace di vedere l’universo esterno. In questo caso, sarebbe impossibile dire se la forza che ti spinge verso il basso sia proprio gravità o la conseguenza dell’accelerazione del razzo in una direzione particolare.
Comprendiamo la gravità?
In parole povere, sì e anche no. Sebbene sia uno dei fenomeni naturali più studiati nell’universo, non lo capiamo ancora davvero.
Come abbiamo visto, Isaac Newton ed Einstein hanno fatto progressi significativi nell’aiutarci a comprendere la gravità, ma non siamo ancora del tutto sicuri di cosa sia, o se in realtà sia una cosa.
Secondo Einstein, la gravità è più una conseguenza della flessione dello spazio-tempo che una vera forza a sé stante.
Quello che sappiamo è che i corpi con massa sono attratti l’uno dall’altro. Questa “forza” dipende dalla distanza e si indebolisce quanto più i corpi sono lontani.
È anche un fenomeno misurabile ed è una delle forze più deboli in natura. Pensa alle calamite che attacchiamo allo sportello del frigorifero: Questi piccoli pezzi di pietra riescono facilmente a vincere l’attrazione di gravità da qualcosa di così grande come la Terra. Noi stessi possiamo sfuggire agli effetti della gravità, anche se temporaneamente, semplicemente saltando.
Ma questa relazione sembra rompersi completamente a livello quantistico. Non sembra adattarsi e non sappiamo perché.
Su larga scala, le nostre attuali teorie sulla gravità sono piuttosto utili per aiutare a prevedere il comportamento di oggetti di grandi dimensioni, ma sulle piccole scale quantistiche, le attuali teorie sulla gravità non funzionano.
Questo è uno dei maggiori problemi della fisica moderna. Molti fisici sperano un giorno di creare una teoria unificata della fisica macro e fisica quantistica che aiuti a spiegare cosa sta succedendo.
In che modo la gravità ci aiuta?
La gravità è una delle “forze” fondamentali nell’universo. Argomenti su come funziona a parte, qualunque cosa sia la gravità, è un elemento molto importante per la vita sul nostro pianeta.
La gravità è la ragione per cui gli oggetti sulla Terra hanno peso e non galleggiano nello spazio. Se vivessi su un pianeta con meno massa, peseresti di meno e potresti saltare molto più in alto.
La gravità mantiene anche la Terra all’interno della cosiddetta “zona riccioli d’oro” – la distanza dal nostro Sole dove l’acqua può esistere in forma liquida. Questo è altrettanto importante per la vita.
La gravità aiuta anche a mantenere l’atmosfera terrestre al suo posto, e così possiamo respirare. Marte, per esempio, ha meno della metà delle dimensioni della Terra e circa un decimo della massa terrestre. Meno massa significa meno attrazione gravitazionale, e in effetti l’atmosfera di Marte è densa solo circa 1/100 di quella terrestre.
La gravità ha anche un ruolo nel mantenere unito e compatto il nostro pianeta. La gravità mantiene la luna in orbita attorno alla Terra. L’attrazione gravitazionale della luna trascina i mari verso di essa, causando le maree oceaniche.
Ancora più interessante, la forza di gravità non è uguale in tutti i luoghi della Terra. È leggermente più forte nei luoghi con molta più massa sotterranea rispetto ai luoghi con meno massa.
Lo sappiamo grazie a due veicoli spaziali della NASA e alla missione GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment).
“GRACE rileva nel tempo minuscoli cambiamenti di gravità. Questi cambiamenti hanno rivelato importanti dettagli sul nostro pianeta. Ad esempio, GRACE monitora i cambiamenti nel livello del mare e può rilevare i cambiamenti nella crosta terrestre causati dai terremoti”.
La gravità può essere creata?
Come abbiamo già visto, Einstein ha proposto che la gravità sia, in realtà, una conseguenza della distorsione dello spazio-tempo causata da diversi corpi. Per questo motivo, dovrebbe essere possibile sviluppare la gravità artificiale, almeno nel vuoto dello spazio.
Ciò che è necessario è fornire un’ipotetica astronave di accelerazione in una direzione che, secondo Einstein, dovrebbe produrre un effetto simile alla gravità. Questo può essere fatto attraverso l’accelerazione lineare, come un razzo, o attraverso il momento angolare, ovvero l’effetto centripeto o l’accelerazione.
Questo è un tema comune in molti libri e film di fantascienza. Basta pensare alla navicella spaziale rotante in “2001: Odissea nello spazio“, per esempio.
Fintanto che la nave è abbastanza grande, dovrebbe essere in grado di produrre una forza sui suoi occupanti che sarebbe quasi indistinguibile dalla gravità sulla Terra. Non sarebbe esattamente la stessa cosa, però, perché sarebbero presenti anche le forze di Coriolis e le cose cadrebbero seguendo linee curve invece che in linee rette.
Questo comporta anche alcuni problemi. Più velocemente qualcosa, per esempio un’astronave, accelera, maggiore è l’attrazione gravitazionale, o forza g, esercitata sugli occupanti.
Questo non è un problema per strutture stazionarie, come una stazione spaziale, ma per le navi che dovrebbero percorrere lunghe distanze ad alta accelerazione, potrebbe rivelarsi catastrofico per l’equipaggio.
Se l’imbarcazione viaggiasse solo a una piccola frazione della velocità della luce, l’equipaggio probabilmente sperimenterebbe qualcosa come oltre 4.000 g. Cioè, secondo un articolo di Forbes, oltre 100 volte l’accelerazione necessaria a bloccare la circolazione del sangue.
Si ipotizza che questo problema possa essere aggirato usando elettromagneti e “piani” conduttivi nelle navi, ma si avrebbe comunque il problema di una forza “verso il basso”. Probabilmente non c’è modo di “proteggere” l’equipaggio dagli effetti della gravità alle alte velocità nello spazio.
L’unico modo per risolvere il problema in futuro potrebbe essere quello di sviluppare una qualche forma di campo negativo o antigravitazionale. Tuttavia, sarebbe necessario creare una massa gravitazionale negativa e oggi non abbiamo molte idee su come potremmo riuscirci.
Questo, però, è esattamente ciò su cui si sta lavorando all’esperimento ALPHA al CERN. I ricercatori stanno lavorando con gli atomi di antiidrogeno intrappolati, la controparte dell’antimateria dell’idrogeno.
Confrontando con precisione idrogeno e antiidrogeno, l’esperimento spera di studiare le simmetrie fondamentali tra materia e antimateria. In definitiva, ciò potrebbe portare alla misurazione dell’accelerazione gravitazionale dell’antimateria.
Se si rilevasse che l’antimateria accelera, in presenza del campo gravitazionale sulla superficie della Terra, a un valore negativo (ad esempio un valore diverso da +9,8 m / s2), ciò consentirebbe teoricamente la costruzione di un conduttore ad antigravità per proteggerci dalla forza gravitazionale.
“Se una massa di antimateria cadesse, in un campo gravitazionale, nello stesso modo della materia normale, allora avrebbe una massa gravitazionale positiva e non potremmo usarla per costruire un conduttore gravitazionale. Ma se si opponesse ad un campo gravitazionale, questo cambierebbe tutto. Con un singolo risultato sperimentale, la gravità artificiale diventerebbe improvvisamente una possibilità fisica“.
In caso di successo di questi test, si potrebbe aprire una porta all’idea di creare un condensatore gravitazionale in grado di creare un campo di gravità artificiale uniforme.
Potrebbe anche, in teoria, consentire la creazione di un “ordito di curvatura“, un modo per deformare lo spaziotempo che avrebbe importanti conseguenze sul nostro modo di viaggiare nello spazio.
“Ma fino a quando non scopriremo una particella (o un insieme di particelle) con massa gravitazionale negativa, la gravità artificiale sarà prodotta solo attraverso l’accelerazione, non importa quanto siamo intelligenti“.
