Un nuovo modello teorico potrebbe aiutarci a risolvere il mistero della gravità

L'enorme divario tra gravità e fisica quantistica non può aver lasciato inalterati altri campi". La soluzione a questi problemi viene dalla relatività generale, o, più precisamente, da un suo analogo ottico

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La gravità è una caratteristica comune della vita sulla Terra che tutte le creature viventi sperimentano quotidianamente. Eppure è un fenomeno che passa praticamente inosservato. Cioè, finché non facciamo cadere un uovo, versiamo il nostro caffè o un vaso costoso non cade da uno scaffale nelle nostre case, ricordandoci che anche la più debole delle quattro interazioni fondamentali conosciute dalla fisica, sebbene nascosta in bella vista, esercita comunque un notevole influenza su tutto ciò che ci circonda.

Circa 1029 volte più debole della forza nucleare debole, che governa il decadimento radioattivo degli atomi, la gravità è così debole che praticamente non ha alcun effetto a livello subatomico. Eppure, alla scala in cui le interazioni tra gli oggetti sono per noi osservabili, la gravità è la forza che comanda letteralmente i movimenti dei pianeti, così come quello delle stelle e delle galassie. Anche la luce, che le leggi universali ritengono essere la cosa più veloce esistente, non può sfuggire all’influenza della gravità.

Nonostante la sua ubiquità, la gravità rimane anche uno dei grandi misteri della fisica moderna. Sebbene non disponiamo di una teoria completa o perfetta su come funziona la gravità, la migliore descrizione di essa rimane quella che Einstein ci diede nel 1915 con la pubblicazione della sua teoria della relatività generale. Per Einstein, la gravità può essere pensata non tanto come una forza che agisce sugli oggetti, ma invece come un modo per osservare la curvatura dello spaziotempo stesso che risulta dalle varianze nella distribuzione della massa in tutto l’universo.

gravità
(Immagine: Unsplash)

Ad esempio, un grande corpo stellare curverà lo spaziotempo attorno ad esso in modo tale che un pianeta più piccolo verrà attirato in orbita attorno ad esso. In modo simile, anche gli oggetti più piccoli saranno attratti dall’influenza gravitazionale di quel pianeta e potrebbero quindi entrare in orbita attorno ad esso, diventandone satelliti.

Oggi i fisici continuano a lavorare per espandere le idee fondamentali di Einstein per risolvere la questione della gravità in un modo che funzioni anche in armonia con la nostra conoscenza della meccanica quantistica. Una teoria della gravità quantistica, in sostanza, sarebbe significativa per gli scienziati perché non solo unirebbe le nostre prospettive macroscopiche e subatomiche della realtà, ma consentirebbe anche potenzialmente di incorporare matematicamente la gravità insieme alle altre tre interazioni fondamentali in una ricercata “teoria del tutto” che i fisici aspirano a formulare.

Diverse teorie sono state avanzate nel corso degli anni, volte ad aiutare i fisici a comprendere meglio ciò che la gravità e la sua relazione con altri fenomeni nel nostro universo possono rappresentare. Tuttavia, un problema che è sorto dai tentativi passati di risolvere le domande persistenti sulla gravità è che spesso non riescono a spiegare tutte le componenti teoriche richieste per una vera teoria della gravità quantistica.



Matthew Edwards, che ha lavorato per anni presso la Biblioteca dell’Università di Toronto, è anche un ricercatore indipendente di lunga data di argomenti teorici che includono la fisica della gravitazione. Questo interesse lo ha portato a curare il volume Pushing Gravity: New Perspectives on Le Sage’s Theory of Gravitation, che ha attinto dal lavoro del fisico ginevrino del 18° secolo Georges-Louis Le Sage, il quale postulava che c’erano forze meccaniche all’opera dietro il mistero di gravità.

Secondo Edwards, i tentativi moderni di creare una teoria quantistica onnicomprensiva della gravità “sono afflitti dai deboli fondamenti teorici della fisica quantistica“, che secondo lui hanno portato a ipotesi che “ottengono più rispettabilità di quanto meritino“.

L’enorme divario tra gravità e fisica quantistica non può aver lasciato inalterati altri campi“, ha recentemente scritto Edwards, proponendo la nuova idea che “la soluzione a questi problemi viene dalla relatività generale, o, più precisamente, da un suo analogo ottico“.

In un nuovo articolo intitolato “Optical gravity model could transform geophysics, astrophysics and cosmology“, Edwards propone una nuova teoria della gravità basata su osservazioni passate che hanno suggerito che esiste un mezzo ottico dello spaziotempo che non serve solo come un analogo per gli effetti osservabili della gravità, ma che potrebbe anche fornire un mezzo fisico che potrebbe potenzialmente aiutare a spiegarlo. Tali osservazioni includono il modo in cui la luce viene deviatamentre passa per massa, che come osserva Edwards, è “matematicamente equivalente alla rifrazione della luce in un mezzo ottico con un gradiente di densità“.

Questo, per Edwards, non è un semplice caso, infatti, secondo lui, l’esplicita correlazione tra queste due osservazioni si è rivelata utile nello studio di cose come la lente gravitazionale, l’effetto in cui la luce viene deviata come risultato della distribuzione della materia tra un osservatore e un sorgente di luce lontana.

The Debrief ha recentemente incontrato Edwards, che oltre a discutere le origini delle sue prospettive uniche su un analogo ottico per la gravità, ha anche fornito diversi spunti sul ruolo che le onde gravitazionali e le ipotetiche particelle come i gravitoni giocano nella sua teoria, e cosa potrebbe tutto questo significa in termini di risoluzione di una delle più grandi questioni della fisica moderna.

D: Puoi fornire un po’ di background su come hai formulato la possibilità che l’energia che i gravitoni e le onde gravitazionali perdono, così come l’energia persa dai fotoni spostati verso il rosso nel contesto dell’espansione dello spaziotempo, possano essere correlati alla gravità come la osserviamo attualmente ?

R: Sono sempre stato interessato ai modelli gravitazionali simili alla teoria di Le Sage. In quei modelli, lo spazio è pieno di minuscole particelle o onde elettromagnetiche che colpiscono gli oggetti da tutti i lati, spingendoli insieme. Ho curato un libro su questo argomento nel 2002, intitolato “Pushing Gravity: New Perspectives on Le Sage’s Theory of Gravitation”. Ho raccolto insieme numerosi modelli tipo Le Sage. Il mio modello all’epoca era piuttosto debole. Alcuni modelli di gravità, come il modello G decrescente di Dirac, avevano implicazioni per la geologia. In alcuni di questi modelli si pensava che la Terra e altri corpi si espandessero lentamente. Esplorando quell’aspetto ho notato che se prendi l’energia potenziale gravitazionale interna di un pianeta U  e la moltiplichi per la costante di Hubble, H0, sembrava essere proporzionale al calore effettivamente emesso dalla Terra e dagli altri pianeti. Per la Terra ha anche fornito energia sufficiente per consentire al suo raggio di espandersi lentamente.

Più tardi, ho scoperto che la stessa relazione valeva anche per le nane bianche, le stelle di neutroni e i buchi neri. Era come se l’energia potenziale gravitazionale avesse una controparte, una forma discreta di energia, più simile ai fotoni, che potrebbe decadere in fotoni e/o calore. Era naturale identificare questa forma di energia con i gravitoni. Si è scoperto che se l’intera riserva di energia potenziale gravitazionale dell’universo decadeva in questo modo, l’energia rilasciata era sufficiente a causare la gravità.

Il meccanismo della gravità non era ancora chiaro, tuttavia, poiché non capivo ancora perché i gravitoni o i fotoni dovrebbero decadere in questo modo. Non avevo mai supportato il modello Big Bang e quindi non pensavo fosse dovuto all’espansione universale.

D: Al centro di ciò di cui parli c’è il gravitone e il modo in cui queste particelle acquisiscono lunghezze d’onda più lunghe come risultato dello spostamento verso il rosso di Hubble. Puoi parlare un po’ del processo qui, in termini di perdita di slancio ed energia che si verifica, che secondo te potrebbe produrre una forza attrattiva coerente con la gravità?

R: La chiave della gravità ottica è la cosiddetta analogia ottico-meccanica nella relatività generale. Questo tratta la deflessione relativistica della luce da parte di una massa come se si verificasse per rifrazione in un mezzo ottico attorno a quella massa. La natura della quantità di moto ottica nei materiali ottici è ancora problematica – la cosiddetta controversia Abraham-Minkowski – ma nel contesto spaziale è l’interpretazione di Abraham che appare più applicabile. Di conseguenza, un fotone (o gravitone) passando attraverso un blocco di mezzo ottico trasferisce energia e quantità di moto al blocco mentre si trova al suo interno.

Propongo che lo spaziotempo sia costituito da tutti i flussi o filamenti di gravitoni che si estendono tra tutte le masse dell’universo visibile. Affinché questo mezzo spaziotemporale gravitonico sia anche un mezzo ottico, come troviamo nei normali materiali ottici, i gravitoni dovrebbero avere alcune delle proprietà dei fotoni. Potrebbero essere una forma di fotone virtuale, per esempio. In questo caso, utilizzando l’interpretazione di Abraham della quantità di moto ottica, i gravitoni e i fotoni che passano vicino a una massa perderebbero energia e quantità di moto nell’involucro dello spaziotempo attaccato alla massa, che verrebbe quindi trasferito alla massa stessa. Ho calcolato la velocità con cui fotoni e gravitoni perderebbero energia passando accanto a tutte le masse remote dell’universo. Si è rivelato essere la stessa velocità con cui la luce perde energia con la costante di Hubble, H0. Quindi avevo un meccanismo che potenzialmente spiegava sia da dove viene l’energia per la gravità sia cosa sia realmente la costante di Hubble.

D: Infine, per quanto riguarda la definizione della componente ottica di tutto questo, come funziona un analogo ottico della relatività generale in termini di relazione con la gravità, dando così origine al concetto di “gravità ottica” da lei proposto?

A: Nella gravità ottica, quando qualsiasi gravitone o fotone supera una massa, perderebbe energia e quantità di moto nell’involucro spaziotemporale attorno a quella massa. Il movimento dell’involucro viene trasferito dai legami gravitoni alla massa stessa, che viene poi spinta anch’essa. Il gravitone quindi ha meno energia quando passa una seconda massa, e quindi trasferisce meno quantità di moto ed energia ad esso rispetto alla prima. Nel frattempo, un gravitone proveniente dalla direzione opposta perderà allo stesso modo più slancio alla prima massa passata rispetto alla seconda. Ciò fa sì che le due masse vengano unite. Se sommi gli effetti di tutti i gravitoni nell’universo che passano per le due masse, questo effetto produce la gravità newtoniana e la costante gravitazionale G. Il contenuto energetico totale dei gravitoni nell’universo rimane lo stesso, tuttavia, poiché i gravitoni più deboli e spostati verso il rosso vengono rielaborati dalle masse in gravitoni coerenti ad alta energia ancora una volta, formando ancora una volta strutture spazio-temporali stabili localmente. È di nuovo la teoria di Le Sage, tranne per il fatto che l’ombreggiatura reciproca si verifica sulla scala cosmica piuttosto che sulla scala dei nuclei atomici.

Con la gravità ottica possiamo collegare la relatività generale con la teoria quantistica. Lo studente medio di scienze avrà sentito da una parte che la curvatura dello spaziotempo nella relatività generale è sufficiente per insegnare alle masse “come muoversi”. Ma come può la curvatura dello spaziotempo indotta da due atomi di idrogeno a distanza di anni luce da essere così precisa da fornire la corretta forza gravitazionale tra di loro? È davvero sorprendente immaginare che potrebbe. Allo stesso tempo, i modelli di gravità quantistica sono mutati in così tante forme, tutte degenerando in una matematica infinita, che non ci portano davvero da nessuna parte. Nella gravità ottica la curvatura dello spaziotempo non guida direttamente le masse, ma l’energia persa da essa dà origine a gravitoni disordinati ora sfasati rispetto allo spaziotempo. Quei gravitoni quindi incontrano altre regioni di curvatura dello spaziotempo attorno alle masse e vengono reintegrati da quelle masse in nuove strutture spaziotemporali coerentemente sovrapposte. La perdita di curvatura porta al guadagno di curvatura, tutto mediato dai gravitoni.

La gravità ottica va oltre la gravità, però. L’energia del gravitone persa a causa della rifrazione all’interno di grandi corpi, come stelle e pianeti, dà origine anche a quella che chiamo la forza di Hubble. Anche se la costante di Hubble è piccola, l’energia rilasciata dai gravitoni scambiati all’interno di un corpo denso può essere enorme. Le grandi forze di Hubble risultanti potrebbero spiegare molti processi geologici e astrofisici, come la tettonica delle placche sulla Terra e le grandi luminosità delle stelle di neutroni e dei buchi neri.

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