percorso di Giancarlo Cella
Come accennato precedentemente, Albert Einstein elaborò la Relatività Generale sulla base di considerazioni di consistenza, nel tentativo di costruire una teoria della gravitazione che fosse in accordo con la relatività speciale. Non esisteva all'epoca un evidente risultato sperimentale in disaccordo con la teoria di Newton. Fu lo stesso Einstein a proporre tre possibili test.
Precessione del perielio di Mercurio
Secondo la teoria di Newton, un pianeta dovrebbe orbitare attorno al Sole su un'orbita chiusa di forma ellittica, con il Sole (considerato di massa molto maggiore del pianeta) in uno dei due fuochi. Questa è una caratteristica peculiare del moto in un campo di forze proporzionali all'inverso del quadrato della distanza da un punto.
Se si applicano le equazioni della Relatività Generale allo studio di questo problema, si scopre che questo risultato è vero solo approssimativamente. Se l'orbita del pianeta è a grande distanza dal Sole le correzioni sono molto piccole, ma diventano non trascurabili man mano che l'orbita è più stretta.
L'effetto è il seguente: l'orbita non è più chiusa, ma può essere descritta da una ellisse con un asse maggiore che ruota molto lentamente (precede). Si tratta di un effetto comunque molto piccolo, ma d'altra parte le osservazioni astronomiche a disposizione sono molte e molto precise. Il pianeta più promettente da studiare è Mercurio, il più vicino al Sole, ed è noto che la sua orbita precede di 574.10 ± 0.65 secondi d'arco per secolo.
In realtà questa precessione può essere causata da altri effetti. Il più importante è dovuto alle interazioni con gli altri pianeti, che produce una precessione di 532.3035 secondi d'arco per secolo.
Tolto questo contributo, ed altri meno importanti (dovuti ad esempio alla forma non completamente sferica del Sole) rimane una precessione non spiegata di circa 43 secondi d'arco per secolo, che risulta in accordo con le predizioni della Relatività Generale.
Deviazione della luce
Abbiamo già discusso gli effetti della gravitazione sui raggi luminosi, concludendo che anche questi risultano deflessi da un campo gravitazionale. In realtà è possibile derivare una predizione simile anche dalla teoria di Newton, ma l'angolo di deflessione risulta essere la metà di quello predetto dalla Relatività Generale.
Sperimentalmente questa deflessione si può verificare confrontando la posizione di una stella nota con quella osservata quando il raggio luminoso proveniente da essa arriva a noi passando rasente al Sole. Chiaramente è necessario attendere una eclissi, in modo da non essere “accecati” dalla luce solare.
Arthur Eddington eseguì l'osservazione nel 1919, e il risultato, nonostante la bassa accuratezza confermò la predizione di Einstein. Notare che quest'ultimo aveva inizialmente predetto, basandosi solo sul principio di equivalenza, un risultato identico a quello della teoria di Newton, e solo successivamente lo aveva corretto basandosi sulla teoria completa.
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| Figura 7-a: Un esempio di gravitational lensing. | Figura 7-b: Il meccanismo del gravitational lensing |
Grandi concentrazioni di masse possono dare luogo a effetti affascinanti come il gravitational lensing. Osservando regioni opportune del cielo con telescopi abbastanza potenti si possono trovare situazioni come quelle rappresentate nella Figura 7-a. Nella foto appaiono diverse galassie o/e quasar (oggetti estremamente luminosi visibili a grandissime distanze, dell'ordine dei miliardi di anni luce). Sorprendentemente, le cinque immagini dei quasar corrispondono allo stesso oggetto. Analogamente appaiono tre diverse immagini della stessa galassia.
Questo può accadere, come mostrato in Figura 7-b, perché la luce dell'oggetto lontano può essere deflessa da una grande concentrazione di massa presente nella regione intermedia: quindi i raggi luminosi emessi possono arrivare a noi facendo diversi percorsi. Dato che ogni “strada” alternativa può richiedere un tempo differente per essere percorsa, non solo vediamo immagini multiple dello stesso oggetto, ma ogni immagine ci mostra la galassia o il quasar ad un'epoca differente.
Spostamento verso il rosso
Abbiamo già accennato alla verifica sperimentale dello spostamento verso il rosso gravitazionale fatta da Pound e Rebka nel 1959. Prima di questo, a partire dalle predizioni di Einstein si cercò di osservare l'effetto misurando la luce emessa da una stella compatta (una nana bianca), caratterizzata da un valore molto grande del campo gravitazionale. L’idea è la seguente: il gas della stella emette luce a frequenze ben definite e note. Ma se l'emissione avviene alla superficie della stella, le frequenze osservate, in una regione dove il campo gravitazionale è molto meno intenso, saranno inferiori. I primi tentativi di misura sono del 1925, ma per avere risultati accurati si dovette attendere il 1954.