La scoperta delle onde gravitazionali come dimostrazione della relatività generale

Le onde gravitazionali sono deformazioni dello spazio tempo che si propagano in maniera ondulatoria alla velocità della luce. La loro dimostrazione teorica è una conseguenza della relatività generale di Einstein: le onde sono prodotte da qualsiasi oggetto dotato di massa e con accelerazione non nulla.

Introduzione

La teoria delle relatività è espressa da due leggi, quella ristretta e quella generale. La prima unifica la teoria galileana con le equazioni di Maxwell; quella generale è in grado di unificare la teoria gravitazionale di Newton con la relatività ristretta. In accordo alla teoria della relatività generale, la luce viene curvata quando si trova in prossimità di un corpo di grande massa. Einstein misurò il valore di deflessione della luce delle stelle con una prova sperimentale nel 1919 durante un eclisse di sole (figura 1).

Figura 1: la curvatura della luce

Eddington riusci a catturare, anche se non con buona risoluzione, tutta una serie di immagini tale da confermare la teoria di Einstein. Inoltre, secondo la fisica di Newton, in un sistema di due corpi, di cui uno fisso e l’altro in orbita, come nel caso di Mercurio intorno al sole, la forma dell’orbita stessa è un eclisse di cui il sole occupa uno dei due fuochi. Il perielio, ovvero il punto di massimo avvicinamento al sole, risulta spostato in seguito ad una una serie di misure. Uno dei motivi principali è l’attrazione gravitazionale dovuta dalla Terra, Venere e Giove. Lo scostamento di circa 43 arcsecondi rispetto alla meccanica newtoniana è stata misurata e predetta accuratamente dalla relatività generale.

La teoria della relatività generale prevede che i corpi rotanti trascinino lo spazio-tempo intorno a loro in un fenomeno chiamato effetto Lense-Thrring o frame-dragging. I due fisici Lense e Thrring avevamo previsto che la rotazione di un oggetto modifica o perturba lo spazio-tempo, tale da trascinare l’oggetto al di fuori della posizione. Per esaminarlo è necessario un oggetto molto massivo e rotante. Il tema di interesse in questo caso è il gravitomagnetismo.

La relatività ci insegna che viviamo in uno spazio curvo, questa curvatura è generata dalle masse presenti nell’universo. La relatività, oltre a spiegare l’attrazione gravitazionale, spiega come un corpo rotante come la terra, in virtù del momento angolare, generi una curvatura in aggiunta a quella dovuta dalla sua massa. Quindi, come la carica elettrica genera un campo elettrico, che a sua volta può esercitare una coppia su un dipolo magnetico, così la relatività fornisce i dettagli affinchè una massa in rotazione generi un potenziale gravitazionale, che si aggiunge all’attrazione della terra che tiene in orbita la luna e i satelliti. Questo ulteriore potenziale che produce una forza viene chiamato Gravitomagnetico. Esso può esercitarsi su una massa in rotazione posta nelle vicinanze con un momento angolare orbitale (quindi un satellite), o di momento angolare di spin ovvero che ruoti attorno al proprio asse. [...]

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