L’affascinante forza di gravità

CIRCA 300 anni fa Isaac Newton formulò una teoria su come opera la gravità. Suppose che un uomo gettasse un oggetto dalla cima di un monte insolitamente alto. Se l’oggetto fosse stato semplicemente lasciato cadere, sarebbe precipitato, come una mela, verso il suolo.

Se invece fosse stato lanciato in avanti, cadendo al suolo avrebbe seguito una linea curva. Newton ragionò allora che se fosse stato lanciato con sufficiente forza, avrebbe eseguito un’orbita attorno alla terra.

Partendo da questa teoria gli fu facile capire il legame esistente fra la gravità e il moto della luna e dei pianeti: la luna descriveva un’orbita attorno alla terra a causa dell’attrazione gravitazionale della terra e i pianeti erano mantenuti nelle loro orbite dall’attrazione gravitazionale del sole.

Una legge universale

Dopo un attento studio Newton formulò una precisa descrizione matematica di questa legge universale. In parole semplici, le equazioni di Newton dicevano che tutti gli oggetti, grandi o piccoli, si attirano l’un l’altro, e la forza di tale attrazione dipende dalla massa degli oggetti e dalla distanza che c’è fra loro.

Le formule fondamentali di Newton che descrivono la gravità, leggermente ritoccate, sono ancor oggi utilizzate dagli scienziati, in particolare per progettare imprese spaziali, come ad esempio l’invio di una sonda spaziale per incontrare la cometa di Halley nel 1985. Infatti l’astronomo inglese Edmond Halley, collega di Newton, si servì della teoria di Newton per predire l’anno della successiva comparsa della cometa.

Le scoperte sulla gravità permisero a Newton di farsi una piccola idea dell’ordine manifesto nell’universo, ordine che è il frutto di un progetto intelligente. Ma la sua opera non fu affatto l’ultima parola in materia. Al principio di questo secolo gli scienziati si resero conto che alcuni aspetti delle teorie di Newton erano insoddisfacenti, addirittura contraddittori.

Einstein e la gravità

Nel 1916 Albert Einstein enunciò la teoria generale della relatività. La sua sorprendente scoperta fu che la gravità non solo plasma la struttura dell’universo ma governa anche il modo in cui lo vediamo e lo misuriamo. La gravità influisce perfino sul modo in cui si misura il tempo!

Di nuovo, un’illustrazione ci aiuterà a chiarire l’argomento. Immaginiamo lo spazio come un foglio di gomma infinitamente esteso. Ora, posando un oggetto su questo tappeto flessibile si produce un abbassamento, una depressione. Secondo la descrizione di Einstein, la terra, il sole e le stelle sono come oggetti su un tappeto flessibile, che fanno curvare lo spazio. Se fate rotolare un altro oggetto sul foglio di gomma, l’area depressa attorno al primo oggetto lo devierà facendogli seguire una linea curva.

Allo stesso modo la terra, i pianeti e le stelle si spostano lungo linee curve, seguendo le naturali “depressioni” dello spazio. Anche un raggio di luce viene deviato quando passa vicino a oggetti di grande massa dell’universo. Le equazioni di Einstein, inoltre, predicevano che la luce che viaggia in direzione contraria all’attrazione gravitazionale perde parte della sua energia, come indica il leggero spostamento di colore verso l’estremo rosso dello spettro. I fisici chiamano questo fenomeno red shift (spostamento verso il rosso) di origine gravitazionale.

Pertanto, oltre a chiarire le discrepanze derivanti dalle scoperte di Newton, la teoria di Einstein svelò nuovi segreti su come opera la gravità nell’universo.

Effetti affascinanti

La facoltà della gravità di influire sul modo in cui viaggia la luce produce alcune sbalorditive conseguenze osservate dagli astronomi.

Chi viaggia nel deserto è da molto tempo a conoscenza dei miraggi: illusioni ottiche per cui si pensa di vedere dell’acqua luccicare sul suolo. Ora gli astronomi hanno fotografato dei “miraggi” cosmici. In che cosa consistono?

La luce di un oggetto lontano, ritenuto il nucleo attivo di una galassia e chiamato quasar (od oggetto quasi stellare), nel suo percorso fino alla terra passa in prossimità di altre galassie. Allorché la luce passa in prossimità delle galassie viene deviata dalle forze gravitazionali. La luce, essendo deviata, forma due o più immagini della stessa quasar. L’osservatore sulla terra, pensando che la luce gli sia giunta in linea retta, conclude che sta vedendo più di un oggetto.

Un altro aspetto affascinante, conseguenza dell’opera di Einstein, riguarda i buchi neri. Cosa sono e che relazione hanno con la gravità? Un piccolo esperimento servirà a darci la risposta.

Provate a lanciare in alto un oggetto. Noterete che raggiunge una certa altezza, si ferma un attimo e poi ricade a terra. Con la luce le cose vanno diversamente. Un raggio di luce può sfuggire alla gravità della terra perché viaggia abbastanza velocemente.

Supponiamo ora che l’attrazione gravitazionale fosse molto più forte, abbastanza forte da impedire anche alla luce di sfuggire. Nulla potrebbe sfuggire a un tale oggetto. L’oggetto stesso sarebbe invisibile, perché nessuna quantità di luce potrebbe sfuggire alla sua gravità e giungere agli occhi di un osservatore esterno: di qui il nome di buco nero.

L’astronomo tedesco Karl Schwarzschild fu il primo a dimostrare la possibilità teorica dei buchi neri. Sebbene non esista ancora nessuna prova inequivocabile che nell’universo i buchi neri ci siano veramente, gli astronomi hanno identificato un certo numero di possibili candidati. I buchi neri potrebbero anche essere le centrali nascoste delle quasar.

Onde gravitazionali

Basandoci sull’opera di Einstein, possiamo anche rappresentare la gravità come una rete invisibile, che congiunge ogni cosa e tiene insieme l’universo. Cosa succede quando quella rete viene perturbata?

Consideriamo di nuovo l’illustrazione del foglio di gomma e supponiamo che un oggetto posato sul foglio riceva un improvviso scossone. Le vibrazioni che si generano sul foglio si trasmetteranno agli oggetti vicini. Allo stesso modo, se una stella ricevesse un violento “scossone”, si potrebbero formare delle increspature nello spazio, ovvero onde gravitazionali. I pianeti, le stelle o le galassie che si trovassero nella traiettoria di un’onda gravitazionale sentirebbero lo spazio contrarsi ed espandersi, come un foglio di gomma che vibra.

Poiché queste onde non sono state ancora scoperte, che prova hanno gli scienziati che la teoria di Einstein è corretta? Una delle migliori indicazioni viene da un sistema di stelle detto pulsar binaria. Questo sistema consiste di due stelle a neutroni in orbita attorno a un centro comune, con un periodo orbitale di circa otto ore.a Una di queste stelle è anch’essa una pulsar: nel ruotare emette un impulso di onde radio, come un faro che emette un fascio di luce mentre ruota. Grazie alla precisione con cui la pulsar emette i suoi segnali, gli astronomi possono tracciare l’orbita delle due stelle con grande accuratezza. Riscontrano che il periodo orbitale diminuisce lentamente, in perfetto accordo con la teoria di Einstein secondo cui vengono emesse onde gravitazionali.

Sulla terra gli effetti di queste onde sono infinitesimali. Facciamo un esempio: Il 24 febbraio 1987 gli astronomi localizzarono una supernova, una stella nell’atto di subire una spettacolare trasformazione, che brillava con lo splendore di milioni di soli mentre le sue regioni più esterne venivano soffiate via. Le onde gravitazionali generate dalla supernova produrrebbero sulla terra una variazione dimensionale di appena un milionesimo del diametro di un atomo di idrogeno. Perché un cambiamento così piccolo? Perché quando le onde giungerebbero sulla terra l’energia si sarebbe distribuita su una enorme distanza.

Perplessi

Nonostante i grandi progressi del sapere, certi fondamentali aspetti della gravità lasciano ancora perplessi gli scienziati. Da lungo tempo si presume che ci siano fondamentalmente quattro forze: la forza elettromagnetica, a cui si devono l’elettricità e il magnetismo, la forza debole e la forza forte che agiscono all’interno del nucleo dell’atomo, e la gravità. Ma perché quattro? Non può darsi che siano tutt’e quattro manifestazioni di una sola forza fondamentale?

Recentemente è stato dimostrato che la forza elettromagnetica e la forza debole sono manifestazioni di un fenomeno di base — l’interazione elettrodebole — e certe teorie cercano di unificare la forza forte con queste due. La gravità, però, è “scompagnata”: pare non adattarsi alle altre.

Gli scienziati sperano di scovare degli indizi in recenti esperimenti compiuti nello strato di ghiaccio che ricopre la Groenlandia. Rilevamenti effettuati in un buco praticato nel ghiaccio profondo chilometri sembravano indicare che la forza di gravità fosse diversa da quanto ci si aspettava. Precedenti esperimenti, compiuti in fondo a pozzi di miniere e in cima a torri della televisione, avevano similmente indicato che qualcosa di misterioso produceva un allontanamento rispetto a quanto predetto dalla descrizione newtoniana della gravità. Intanto alcuni teorici cercano di mettere a punto un nuovo approccio matematico, la “teoria delle supercorde”, per unificare le forze della natura.

Gravità: essenziale per la vita

Sia le scoperte di Newton che quelle di Einstein dimostrano che i movimenti dei corpi celesti sono governati da leggi e che la gravità agisce da legame tenendo insieme l’universo. Un professore di fisica, scrivendo su New Scientist, ha fatto notare che queste leggi sono la prova dell’esistenza di un progetto e ha detto: “Il più minuscolo cambiamento nell’intensità relativa delle forze gravitazionali ed elettromagnetiche trasformerebbe stelle come il sole in giganti azzurre o nane rosse. Tutt’intorno ci sembra di vedere la prova che la natura ha fatto le cose per bene”.

Senza gravità non potremmo esistere. Pensate: La gravità tiene insieme il sole, sostenendone le reazioni nucleari che provvedono il calore e la luce di cui abbiamo bisogno. La gravità mantiene in orbita attorno al sole la terra che gira — facendo esistere il giorno e la notte e le stagioni — e impedendoci di essere sbalzati via come il fango da una ruota che gira. L’atmosfera terrestre è tenuta al suo posto dalla gravità, mentre l’attrazione gravitazionale della luna e quella del sole generano regolarmente le maree che contribuiscono a mantenere in circolazione le acque dei mari.

Grazie ai minuscoli otoliti dell’orecchio interno, avvertiamo la gravità e impariamo sin dall’infanzia a tenerne conto quando camminiamo, quando corriamo o quando saltiamo. È molto più difficile per gli astronauti che nei voli spaziali devono muoversi in condizioni di completa assenza della forza di gravità!

Sì, la forza di gravità contribuisce a rendere normale la nostra vita sulla terra. È davvero un affascinante esempio delle “meravigliose opere” del Creatore. — Giobbe 37:14, 16.

[Nota in calce]

[Immagine a pagina 16]

La legge newtoniana di gravitazione afferma che nel vuoto una piuma cade alla stessa velocità di una mela

[Immagine a pagina 17]

La luce viene deviata quando attraversa il campo gravitazionale di altri corpi

[Immagine a pagina 18]

Un minuscolo organo che abbiamo nell’orecchio ci aiuta sin dall’infanzia a tenere conto della gravità e a mantenere l’equilibrio