Cos’è la gravità? Non è una forza e per molti aspetti non riusciamo a definirla

Introduzione

Tra le quattro forze fondamentali, quella di gravità è senz’altro la più sfuggente, nonostante siamo abituati ad avvertirla di continuo. Nei secoli siamo riusciti a definire delle formule matematiche per descrivere il suo funzionamento, eppure buona parte delle proprietà non ci sono ancora del tutto chiare.

La legge di gravitazione universale di Newton

Partiamo dalle informazioni che conosciamo. Quando si parla di gravità, la prima cosa che dovrebbe saltare alla testa è la «legge di gravitazione universale» elaborata da Isaac Newton. Vediamo un attimo la formula e quindi la spiegazione a parole:

F = G * M * m / r^2

dove:
M e m sono le due masse (i due corpi) espresse in kg
r è la distanza in metri tra i centri delle due masse
G è la costante di gravitazione universale, che vale circa 6,674*10^11 N m²/kg²

La formula ci spiega due proprietà fondamentali:
– due corpi si attirano con una forza che dipende dalle loro masse; corpi più massicci esercitano un’attrazione maggiore [ovvero: due corpi si attirano in modo direttamente proporzionale alle loro masse]. Per la precisione, ogni punto materiale di un corpo esercita un’attrazione gravitazionale.
– l’attrazione si riduce di molto con l’aumentare della distanza tra le due masse [ovvero: due corpi si attirano in modo inversamente proporzionale alla loro distanza elevata al quadrato].

Quanto è “forte” la gravità?

La gravità diventa apprezzabile solo se almeno uno dei due corpi è molto massiccio. Tra gli oggetti celesti – pianeti, sistemi stellari, galassie – è bene visibile e tiene in piedi le orbite che conosciamo. La Luna ruota attorno alla Terra perché è attratta dalla sua forza gravitazionale e, allo stesso tempo, la Luna attrae la Terra verso di sé (causando gli effetti delle maree).

Al contrario, se consideriamo due persone vicine tra loro non notiamo nessuna forza ad attirarli: l’attrazione esiste, ma è così scarsa da non essere percepita.

La proprietà appena descritta l’avvertiamo ogni giorno, anche se non ci facciamo più caso: è proprio per questo che noi esseri umani (massa piccola) siamo ancorati alla Terra (massa grande). Nello specifico, il corpo umano è attratto verso il centro della Terra con un’accelerazione che a livello del mare è di circa 9,80 m/s² (un valore abbreviato con «g»).

Scendendo ancora nel più piccolo, anche le particelle come gli atomi esercitano gravità tra loro. Tuttavia le masse sono davvero infime e la forza di gravità viene messa da parte, sovrastata da un’altra forza predominante: quella elettromagnetica. La forza elettromagnetica è molto più forte della forza gravitazionale.

La teoria della relatività generale: la gravità non è una forza

Finora ho sempre parlato di «forza di gravità» perché farlo è di uso comune, ma il termine sarebbe improprio. Per essere più precisi si dovrebbe parlare di «interazione gravitazionale», perché l’attrazione di gravità non è una vera e propria forza: descrive l’accelerazione a cui un qualsiasi corpo viene sottoposto quando si trova vicino a un oggetto massiccio.

Che la gravità non sia una forza ma una proprietà della materia lo sappiamo grazie alla Teoria della Relatività di Einstein. Sappiamo infatti che più un corpo è massiccio, più lo spaziotempo al suo intorno viene incurvato. Di conseguenza, qualsiasi altro corpo nei dintorni “cade” verso di lui, proprio perché lo spaziotempo su cui si trova è stato deformato.

In altre parole, l’interazione gravitazionale deriva come conseguenza della curvatura dello spaziotempo provocata dai corpi massicci. Questa interazione genera delle onde gravitazionale, in modo molto simile a quello che succede in un lago immobile quando vi gettate dentro un sasso.

Con la teoria della relatività, quindi, ci sono stati grandi cambiamenti nel modo di pensare. Primo tra tutti, l’interazione gravitazionale funziona anche con particelle prive di massa, come i fotoni (cioè la luce). E infatti, vicino a corpi molto massicci come può essere un buco nero, anche la luce viene deviata.

[per dettagli vedi l’articolo sulle onde gravitazionali, confermate di recente]

[per dettagli sulla relatività vedi l’articolo sulla relatività generale]

[per dettagli sui buchi neri vedi l’articolo riassuntivo diviso in tre parti]

Il gravitone, una particella forse inesistente

A questo punto c’è da chiedersi quale fenomeno fisico provochi l’interazione gravitazionale, cioè sia responsabile della deformazione dello spaziotempo in presenza di corpi massicci e della generazione delle onde gravitazionali.

La particella che dovrebbe essere responsabile dell’interazione gravitazionale è il gravitone. Puntualizzo il «dovrebbe», perché in realtà il gravitone è stato solo ipotizzato e la sua esistenza non è mai stata dimostrata.
Se esistesse, avrebbe massa zero, agirebbe a qualsiasi distanza e avrebbe sempre una forza attrattiva (la gravità non respinge mai). Il suo comportamento sarebbe simile a quello dei fotoni (le particelle che compongono la luce), ma avrebbe le differenze sostanziali che abbiamo visto in precedenza.

E se il gravitone non esistesse? In questo caso la faccenda si complica. Alcune teorie, come il «Teorema di non-località di Bell», spiegano che il legame di attrazione tra due masse è da ricercare fuori dallo spaziotempo. Se così fosse, come possiamo dimostrarlo? Consideriamo comunque che, seppure il gravitone esistesse, rilevarlo sarebbe molto difficile perché porterebbe con sé pochissima energia.

In conclusione, abbiamo una chiara idea di come agisca la gravità, ma non conosciamo ancora la sua natura più profonda e quindi al momento ci è impossibile manipolarla. A differenza delle altre tre forze fondamentali – elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole – non riusciamo ancora a formulare una teoria quantistica che la riguarda. Se riuscissimo a farlo, troveremmo il tassello mancante del Modello Standard che permette di unificare le quattro forze.