Se la luce non ha massa, perché è influenzata dalla gravità?

Questa è un’ottima domanda…

In primo luogo, la risposta è data dalla teoria della relatività generale di Einstein (la luce viaggia lungo le geodetiche, che sono approssimativamente linee rette nella maggior parte delle circostanze che gli esseri umani incontrano nella vita di tutti i giorni, ma sono curve per gravità). È anche interessante perché c’è un certo senso in cui la luce ha una “massa” (e quindi dovrebbe essere influenzata dalla gravità…).

Nella nostra esperienza quotidiana, la luce sembra viaggiare in linea retta, non influenzata dalla gravità. Ovviamente, la luce può piegarsi quando passa attraverso l’interfaccia tra due mezzi: pensa alla rifrazione della luce mentre passa dall’aria all’acqua, che è il fenomeno che fa apparire all’interfaccia spezzata una cannuccia immersa in un bicchiere d’acqua. Si tratta, però, di una flessione, un fenomeno non gravitazionale ma elettromagnetico.

Tuttavia, la luce si piega quando viaggia vicino a corpi massicci come stelle di neutroni e buchi neri. Ciò è spiegato dalla teoria della relatività generale di Einstein.

Sappiamo che tutti gli oggetti dotati di massa sono influenzati dalla gravità. Ad esempio, pensa a un pianeta in orbita attorno al Sole. Mentre il pianeta si muove, su di esso agisce una forza centripeta, che curva il moto. Senza gravità, il pianeta viaggerebbe in linea retta.

La relatività generale, però, pone una prospettiva diversa sulla situazione. Invece di descrivere l’oggetto come in movimento lungo una curva in uno spaziotempo piatto , l’oggetto è descritto come in movimento lungo speciali “linee” in uno spaziotempo curvo.

Le curve sono una conseguenza della distorsione del tessuto dello spaziotempo provocata da una massa: maggiore sarà la massa, maggiore sarà la curvatura inflitta al tessuto dello spaziotempo per cui qualunque cosa, anche la luce, passi lungo questa curvatura non potrà seguire una linea retta ma dovrà muoversi sul tessuto curvato dello spaziotempo.

Le curve dello spaziotempo sono chiamate s geodetiche e generalizzano la nozione di linee rette allo spaziotempo curvo.

La luce viaggia anche lungo le geodetiche (chiamate geodetiche nulle), e quindi anche i percorsi della luce sono curvati dalla forza gravitazionale, nonostante la luce non abbia alcuna massa.

Ci sono alcune ricerche più all’avanguardia relative a questa risposta. C’è motivo di credere che la luce stessa incurvi lo spaziotempo nello stesso modo in cui lo fanno gli oggetti massicci. Questo fenomeno, talvolta, è indicato come l’auto-gravitazione della luce. 

L’idea è che un’onda elettromagnetica abbia un tensore energia-impulso diverso da zero, e dovrebbe quindi curvare lo spaziotempo, anche se in un modo piccolo e strano. In questo modo, le equazioni della relatività generale implicano che la curvatura dello spaziotempo creata dalla propagazione della luce dovrebbe influenzare la propagazione di quella luce stessa.

Ecco una discussione di Quora sull’argomento: i fotoni piegano lo spaziotempo?