Cos’è la gravità?

La gravità è una delle quattro forze fondamentali nell’universo, insieme all’elettromagnetismo e alle forze nucleari forti e deboli. Nonostante sia onnipervasivo e importante per mantenere i nostri piedi dal volare via dalla Terra, la gravità rimane, in gran parte, un puzzle per gli scienziati.

Antichi studiosi cercando di descrivere il mondo si avvicinò con le proprie spiegazioni per il motivo per cui le cose cadono verso il suolo., Il filosofo greco Aristotele sosteneva che gli oggetti hanno una naturale tendenza a muoversi verso il centro dell’universo, che credeva essere il centro della Terra, secondo il fisico Richard Fitzpatrick dell’Università del Texas.

Ma i luminari successivi hanno spostato il nostro pianeta dalla sua posizione primaria nel cosmo. Il polymath polacco Nicolas Copernicus si rese conto che i percorsi dei pianeti nel cielo hanno molto più senso se il sole è il centro del sistema solare., Il matematico e fisico britannico Isaac Newton estese le intuizioni di Copernico e ragionò che, come il sole tira sui pianeti, tutti gli oggetti esercitano una forza di attrazione l’uno sull’altro.

Nel suo famoso trattato del 1687 “Philosophiae naturalis principia mathematica”, Newton descrisse quella che ora viene chiamata la sua legge di gravitazione universale. Di solito è scritto come:

Fg = G (m1 ∙ m2)/r2

Dove F è la forza di gravità, m1 e m2 sono le masse di due oggetti e r è la distanza tra loro., G, la costante gravitazionale, è una costante fondamentale il cui valore deve essere scoperto attraverso l’esperimento.

La gravità è potente, ma non così potente

La gravità è la più debole delle forze fondamentali., Un magnete bar elettromagneticamente tirare una graffetta verso l’alto, superando la forza gravitazionale di tutta la Terra sul pezzo di apparecchiature per ufficio. I fisici hanno calcolato che la gravità è 10^40 (questo è il numero 1 seguito da 40 zeri) volte più debole dell’elettromagnetismo, secondo la Nova di PBS.

Mentre gli effetti della gravità possono essere chiaramente visti sulla scala di cose come pianeti, stelle e galassie, la forza di gravità tra oggetti di uso quotidiano è estremamente difficile da misurare., Nel 1798, il fisico britannico Henry Cavendish condusse uno dei primi esperimenti di alta precisione al mondo per cercare di determinare con precisione il valore di G, la costante gravitazionale, come riportato negli Atti della National Academy of Science Front Matter.

Cavendish ha costruito quello che è noto come un equilibrio di torsione, attaccando due piccole sfere di piombo alle estremità di una trave sospesa orizzontalmente da un filo sottile. Vicino a ciascuna delle palline, ha posizionato un grande peso di piombo sferico., Le piccole sfere di piombo erano attratte gravitazionalmente dai pesanti pesi di piombo, causando la torsione del filo solo un po ‘e permettendogli di calcolare G.

Sorprendentemente, la stima di Cavendish per G era solo dell’ 1% dal suo valore accettato moderno di 6.674 × 10^-11 m^3/kg^1 * s^2. La maggior parte delle altre costanti universali è nota per una precisione molto più elevata, ma poiché la gravità è così debole, gli scienziati devono progettare apparecchiature incredibilmente sensibili per cercare di misurare i suoi effetti. Finora, un valore più preciso di G è sfuggito alla loro strumentazione.,

Il fisico tedesco-americano Albert Einstein ha portato la prossima rivoluzione nella nostra comprensione della gravità. La sua teoria della relatività generale ha mostrato che la gravità deriva dalla curvatura dello spazio-tempo, il che significa che anche i raggi di luce, che devono seguire questa curvatura, sono piegati da oggetti estremamente massicci.

Le teorie di Einstein sono state usate per speculare sull’esistenza di buchi neri — entità celesti con così tanta massa che nemmeno la luce può sfuggire dalle loro superfici., Nelle vicinanze di un buco nero, la legge di gravitazione universale di Newton non descrive più con precisione come si muovono gli oggetti, ma piuttosto le equazioni di campo tensoriale di Einstein hanno la precedenza.

Da allora gli astronomi hanno scoperto buchi neri reali nello spazio, riuscendo persino a scattare una foto dettagliata di quello colossale che vive al centro della nostra galassia. Altri telescopi hanno visto gli effetti dei buchi neri in tutto l’universo.,

L’applicazione della legge gravitazionale di Newton a oggetti estremamente leggeri, come persone, cellule e atomi, rimane un po ‘ una frontiera non studiata, secondo Minute Physics. I ricercatori presumono che tali entità si attraggano l’un l’altro usando le stesse regole gravitazionali dei pianeti e delle stelle, ma poiché la gravità è così debole, è difficile saperlo con certezza.

Forse, gli atomi si attraggono gravitazionalmente ad una velocità di uno sulla loro distanza al cubo anziché al quadrato — i nostri strumenti attuali non hanno modo di dirlo., Nuovi aspetti nascosti della realtà potrebbero essere accessibili se solo potessimo misurare tali minuscole forze gravitazionali.

Una forza perpetua di mistero

La gravità lascia perplessi gli scienziati anche in altri modi. Il modello standard della fisica delle particelle, che descrive le azioni di quasi tutte le particelle e forze conosciute, lascia fuori la gravità. Mentre la luce è trasportata da una particella chiamata fotone, i fisici non hanno idea se esiste una particella equivalente per la gravità, che sarebbe chiamata gravitone.,

Riunire la gravità in un quadro teorico con la meccanica quantistica, l’altra grande scoperta della comunità fisica del 20 ° secolo, rimane un compito incompiuto. Una tale teoria di tutto, come è noto, potrebbe non essere mai realizzata.

Ma la gravità è stata ancora utilizzata per scoprire reperti monumentali. Negli anni ’60 e’ 70, gli astronomi Vera Rubin e Kent Ford hanno dimostrato che le stelle ai bordi delle galassie orbitavano più velocemente di quanto dovrebbe essere possibile. Era quasi come se una massa invisibile li stesse tirando gravitazionalmente, portando alla luce un materiale che ora chiamiamo materia oscura.,

Negli ultimi anni, gli scienziati sono anche riusciti a catturare un’altra conseguenza della relatività di Einstein: le onde gravitazionali emesse quando oggetti massicci come stelle di neutroni e buchi neri ruotano l’uno attorno all’altro. Dal 2017, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha aperto una nuova finestra sull’universo rilevando il segnale estremamente debole di tali eventi.