Quali sono le cause della gravità sulla Terra?

Contenuto

• Una breve storia di gravità
• Teorie della gravità
• Teoria generale della relatività di Einsteins
• La gravità della terra e oltre

Molte persone, scientificamente orientate o meno, hanno almeno una vaga idea che una quantità o un concetto chiamato "gravità" è ciò che mantiene gli oggetti, compresi loro stessi, legati alla Terra. Capiscono che questa è una benedizione in generale, ma meno in certe situazioni - diciamo, quando appollaiati su un ramo di un albero e un po 'incerti su come tornare a terra incolumi, o quando si tenta di stabilire un nuovo record personale in un evento come il salto in alto o il salto con l'asta.

È forse difficile apprezzare la stessa nozione di gravità fino a vedere cosa succede quando la sua influenza viene ridotta o cancellata, come quando si guardano filmati di astronauti su una stazione spaziale in orbita attorno al pianeta lontano dalla superficie terrestre. E in verità, i fisici hanno poca idea di cosa alla fine "causi" 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.

Una breve storia di gravità

Oltre 2000 anni fa, gli antichi pensatori greci hanno avuto molte idee che hanno ampiamente resistito alla prova del tempo e sono sopravvissuti alla modernità. Discernevano che oggetti lontani come pianeti e stelle (le vere distanze dalla Terra di cui, naturalmente, gli osservatori non avevano modo di sapere), in effetti, erano fisicamente legati gli uni agli altri nonostante presumibilmente non avessero niente come cavi o corde che li collegavano 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, tutti i pianeti sanno a quei tempi che avevano il nome degli dei.) Sebbene questa teoria fosse chiara e decisiva, non era testabile, e quindi non era altro che una sostituzione per una spiegazione più soddisfacente e scientificamente rigorosa.

Fu solo circa 300-400 anni fa che astronomi come Tycho Brahe e Galileo Galilei riconobbero che, contrariamente agli insegnamenti biblici risalenti a circa 15 secoli fa, la Terra e i pianeti ruotavano attorno al sole, piuttosto che la Terra essendo al centro dell'universo. Questo ha spianato la strada alle esplorazioni della gravità come è attualmente inteso.

Teorie della gravità

Un modo di pensare all'attrazione gravitazionale tra gli oggetti, espresso dal fisico teorico tardo 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". Cioè, mentre gli oggetti possono sperimentare una forza a causa delle differenze nella carica elettrostatica, la gravità si traduce invece in una forza dovuta alla massa pura. Tecnicamente, tu e il computer, il telefono o il tablet stai leggendo questo argomento esercitando forze gravitazionali l'uno sull'altro, ma tu e il tuo dispositivo abilitati a Internet siete così piccoli che questa forza è praticamente impercettibile. Ovviamente, per oggetti sulla scala di pianeti, stelle, intere galassie e persino ammassi di galassie, è una storia diversa.

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

F_grav = (G × m₁ × m₂) / R²

dove F_grav 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.

Mentre questa equazione funziona egregiamente per scopi quotidiani, il suo valore diminuisce quando gli oggetti in questione sono relativistici, cioè descritti da masse e velocità ben al di fuori della tipica esperienza umana. È qui che entra in gioco la teoria della gravità di Einstein.

Teoria generale della relatività di Einsteins

Nel 1905, Albert Einstein, il cui nome è forse il più riconoscibile nella storia della scienza e il più sinonimo di imprese di livello geniale, pubblicò la sua teoria della relatività speciale. Tra gli altri effetti che ciò ha avuto sull'esistente corpus di conoscenze fisiche, ha messo in discussione l'assunto incorporato nel concetto di gravità di Newton, ovvero che la gravità in effetti operava istantaneamente tra gli oggetti indipendentemente dalla vastità della loro separazione. Dopo i calcoli di Einsteins stabilito che la velocità della luce, 3 × 10⁸ m / so circa 186.000 miglia al secondo, ponendo un limite superiore alla velocità con cui qualsiasi cosa potesse propagarsi attraverso lo spazio, le idee di Newton improvvisamente apparvero vulnerabili, almeno in alcuni casi. In altre parole, mentre la teoria gravitazionale newtoniana continuava a funzionare egregiamente in quasi tutti i contro immaginabili, chiaramente non era una descrizione universalmente vera della gravità.

Einstein trascorse i successivi 10 anni formulando un'altra teoria, una che avrebbe riconciliato la struttura gravitazionale di base di Newton con il limite superiore della velocità della luce imposta o che sembrava imporre su tutti i processi nell'universo. Il risultato, che Einstein introdusse nel 1915, fu la teoria generale della relatività. Il trionfo di questa teoria, che costituisce la base di tutte le teorie gravitazionali fino ai giorni nostri, è che incorniciava il concetto di gravitazione come manifestazione della curvatura dello spazio-tempo, non come una forza in sé. 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 radicato puramente nelle forze fisiche in una teoria più basata sulla geometria: proponeva di fatto una quarta dimensione, il tempo, per accompagnare le tre dimensioni spaziali che erano già familiari.

La gravità della terra e oltre

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 le altre cose, una palla di cannone e un marmo caduti dalla cima di un grattacielo cadranno verso il suolo alla stessa velocità, accelerati 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 all'aria non è un problema. Una piuma cade chiaramente più lentamente di un tiro, ma nel vuoto, non sarebbe così .) Questo aspetto dell'idea di Einstein era abbastanza verificabile. Ma che dire delle situazioni relativistiche?

A 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 che la luce percorre in un anno (circa sei trilioni di miglia), questo significa che gli astronomi qui sulla Terra stavano osservando fenomeni rivelatori di luce che si sono effettivamente verificati nel 2200 a.C. circa. Questo insolito sistema è costituito da due stelle piccole e dense - una "pulsar" che ruota sul suo asse 366 volte al secondo e l'altra una nana bianca - che orbitano a vicenda con un periodo notevolmente breve di 1,6 giorni. Questa coppia a sua volta orbita attorno a una stella 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 estremamente insolito era la teoria generale della relatività di Einstein - e le equazioni, infatti, si adattavano perfettamente alla situazione.