Se la gravità non è una forza ma è lo spazio-tempo che si curva, perché se ne cerca il mediatore (gravitone) che è tipicamente il mezzo con il quale una forza si manifesta?
Caro lettore,
iniziamo col ricordare quanto alla base di questa interessante domanda: il Modello Standard, la teoria descrittiva della materia e delle interazioni fondamentali agenti nell’Universo. In questa teoria, i cui successi sperimentali sono straordinariamente precisi, le interazioni avvengono tramite lo scambio di particelle mediatrici della stessa. Ma, mentre la descrizione delle interazioni forti, deboli ed elettromagnetiche nell’ambito del Modello Standard è ben definita, non si è ad oggi nella condizione di inserire in questo quadro l’interazione gravitazionale.
Una interazione si manifesta, e qui ricordo solo per completezza che interviene il concetto di campo, con una forza su un secondo corpo in gradi di risentirne.
La miglior descrizione che abbiamo ad oggi delle interazioni gravitazionali viene dalla relatività generale, che appunto lei cita parlando di curvatura della spazio-tempo. La teoria della gravitazione di Newton, che descrive la gravità come una forza che agisce con la famosa legge, (il concetto di campo è un concetto estraneo a Newton) è contenuta comunque come caso limite al suo interno.
Ma il punto importante per rispondere alla domanda posta non è il fatto che la natura della interazione, e dunque della forza, è diversa nella formulazione di Newton rispetto alle teorie di relatività, ma la formulazione classica delle stesse, che non lascia spazio alla esistenza di una particella mediatrice. Questo problema riguarda qualunque teoria classica della gravitazione, anche se alternativa alla relatività generale.
Sottolineiamo anche che la meccanica quantistica, che descrive le interazioni fondamentali, ma non quella gravitazionale, contiene il dualismo onda-particella. Le onde elettromagnetiche possono essere considerate risultanti da sovrapposizioni di fotoni, di massa nulla e che si muovono alla velocità della luce.
Ma abbiamo onde anche come soluzione delle equazioni di Einstein della relatività generale (e anche in altre teorie alternative), le onde gravitazionali, della cui scoperta si è molto parlato molto negli ultimi anni [1].
Ora abbiamo gli elementi per rispondere alla domanda: perché cerchiamo il gravitone?
Il motivo è che ci aspettiamo che un'estensione della descrizione classica della gravità debba essere necessaria e ad oggi siamo convinti che una teoria quantistica che la descriva sia la via naturale verso l’unificazione di tutte le interazioni fondamentali. E una teoria quantistica della gravità deve prevederne la particella mediatrice, il gravitone. Il modo per arrivare a questo è cercare, negli esperimenti che sappiamo fare, deviazioni dalle previsioni delle teorie classiche sulla gravità. E lo si cerca di fare in situazioni di gravità estrema, laddove appunto ci si possono aspettare deviazioni misurabili.
Uno dei modi è proprio quello di partire dalle onde gravitazionali, studiandone le caratteristiche e vedendone la consistenza o meno con l’esistenza di un gravitone a massa nulla. Come per le onde elettromagnetiche, le onde gravitazionali potrebbero essere risultanti dalla sovrapposizione di gravitoni che, se le onde viaggiano alla velocità della luce, hanno massa nulla. Ad esempio, misure fatte sulle caratteristiche dell’onda gravitazionale del segnale chiamato GW150914 (l’andamento della fase del segnale misurato in funzione del tempo) hanno consentito di confermare le predizioni sul fatto che il gravitone (qualora esista) abbia massa minore di un valore molto piccolo, compatibile con zero.
Ma in generale, test di consistenza fra i risultati di diversi esperimenti sulla gravità e le previsioni della relatività generale possono portare ad estendere il modello di Einstein per cercare di arrivare ad una estensione quantistica della stessa [2].
Le segnaliamo questi due approfondimenti che trova sul nostro sito:
- Esiste la particella chiamata "Gravitone”? https://scienzapertutti.infn.it/chiedi-allesperto/tutte-le-risposte/727-136-esiste-la-particella-chiamata-qgravitoneq
- Che cosa sono i gravitoni? https://scienzapertutti.infn.it/chiedi-allesperto/tutte-le-risposte/1578-0335-che-cosa-sono-i-gravitoni
Pia Astone, fisico
Referenze
[1] Physical Review Letters 116, 061102 (2016). Sommario scientifico divulgativo: https://www.ligo.org/science/Publication-GW150914/index.php
[2] Asimmetrie, numero 30 “Gravità”, https://www.asimmetrie.it/archivio (in particolare, Pag. 30 “Le stringhe e la quantizzazione della gravità”)