di  -  lunedì 14 maggio 2012

Cipo: In che modo è collegata l’osservazione di un onda gravitazionale (così grande) all’osservazione di un gravitone (così piccolo(?))?

Eleonora: Questa domanda coglie un problema fondamentale della fisica moderna. Infatti, sebbene la gravità sia compresa relativamente bene a livello macroscopico (per esempio la caduta di un grave, o il moto dei pianeti) non è ancora possibile per I fisici darvi una descrizione microscopica, a livello quantistico.

Sappiamo che la forza gravitazionale è, appunto, una forza, e in fisica abbiamo la tendenza a descrivere tutte le forze allo stesso modo, per semplicità.
Ci sono tre concetti fondamentali nella fisica: la particella, l’onda e il campo. Nella fisica classica si conosceva il concetto di punto, una massa puntiforme, detta appunto particella.

Con la meccanica quantistica si è scoperto che le particelle hanno in realtà un doppio comportamento, infatti si comportano sia come delle masse puntiformi, sia come delle onde. Ecco quindi che compare il concetto di onda. La teoria che si è sviluppata conseguentemente alla meccanica quantistica, ovvero la teoria del campi, che descrive quello che viene chiamato Modello Standard, fa un passo ancora successivo, identificando le onde con dei campi. Quindi le particelle si comportano come delle onde e le onde si comportano come dei campi, e scrivendo le equazioni che descrivono I campi si possono descrivere tutte le particelle conosciute e le forze fondamentali della natura.  Con l’eccezione della forza gravitazionale.

La forza elettromagnetica, per esempio, agisce entro un certo campo, detto campo elettromagnetico, che si forma quando è presente una carica elettrica. La “carica gravitazionale” altro non è che una massa, quindi ogni volta che c’è una massa essa genera un campo gravitazionale. All’interno del campo di azione, la forza agisce tramite una particella che “trasporta” la forza. Questa particella si chiama “bosone mediatore” e, per esempio, nel caso della forza elettromagnetica altro non è che il fotone. Si immagina quindi, per analogia, che esista un particella che “trasnporta” la forza gravitazionale, e tale particella, al momento solo predetta, si chiama “gravitone”.

Poiché una teoria quantistica della gravitazione è al momento lontana mille miglia, quello che alcuni grandi esperimenti stanno cercando di fare è rivelare onde gravitazionali classiche, ovvero, non la descrizione quantistica legata alla teoria dei campi. In pratica vogliono costruire un’antenna, come quelle della TV che ricevono onde elettromagnetiche, ma in questo caso per rivelare onde gravitazionali. Studiare queste onde gravitazionali, è in ogni caso estremamente importante anche per l’interpretazione quantistica della gravità, perché la loro comprensione può aiutare a limitare e supportare argomentazioni teoriche sulla descrizione quantistica della gravità.

16 Commenti »

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  • # 1
    L
     scrive: 

    una cosa che mi chiedevo da un po': dato che il campo/forza elettrica e gravitazionale sono simili (le formule hanno la stessa struttura – Fg = G*m1*m2/d^2 e Fe = “epsilon0″*c1*c2/d^2), esiste un “corrispettivo gravitazionale” del campo magnetico?

  • # 2
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Esiste il campo gravitazionale, come detto nel post

  • # 3
    Unas
     scrive: 

    mi chiedevo; se almeno a livello puramente matematico, esiste un qualche descrizione di una forza assimilabile a quella gravitazionale ma di tipo repulsivo?
    A dir la verità formulando questa domanda mi viene da chiedere se anche le forze nucleari forti e deboli possano essere di tipo repulsivo, in qunaot non mi viene in mente nessun esempio in cui si comportino in tal senso…

  • # 4
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Certo che matematicamente si può creare una forza gravitazionale repulsiva, basta immaginarsi una massa negativa… solo che poi riuscire a rendere una forza del genere in accordo con tutte le osservazioni è più difficile… magari uno può pensare che l’antimateria abbia gravità negativa. Ma non c’è nulla di provato, a riguardo, almeno non per ora.
    Le forse poi possono avere comportamenti molto diversi, anche se la descrizione è simile. Per esempio la forza nucleare forte è tanto più intensa quanto le due cariche (questa volta, cariche di “colore” non elettromagnetiche) sono lontane. Ovvero la forza diventa sempre più forte man mano che ci si allontana, esattamente il contrario di quello che accade per la forza elettromagnetica. Per questo, infatti, non esiste un quark isolato.

  • # 5
    sandro
     scrive: 

    Eleonora, ma particelle che hanno spin e carica uguale ma massa differente, si possono considerare come diversamente interagenti con un campo che da loro la massa (visto che si sta parlando in termini di campo)? cioe’ magari e’ possibile che un elettrone ed un muone siano la stessa entita’ particellare/ondulatoria ma che interagiscano diversamente per proprieta’ intrinseca ad un campo (od una dimensione spaziale aggiuntiva) che ce le faccia apparire a noi che percepiamo in 3 dimensioni spaziali come particelle aventi massa differenti?

  • # 6
    Unas
     scrive: 

    Grazie mille :)

  • # 7
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @sandro
    Non so bene come rispondere alla tua domanda, ma cerco di cogliere il punto rispondendo che nel Modello Standard ci sono molti più parametri liberi che solo la massa delle particelle, per cui non basta cambiare massa per dire che una particella è diversa, la descrizione è molto più complessa.

  • # 8
    sandro
     scrive: 

    ah ok, pensavo che ci fosse la possibilita’ che la differenza di massa di particelle che hanno spin, carica (o colore) identici potesse essere attribuita alla differente interazione di una unica particella con un campo od una dimensione spaziale aggiuntiva non percepibile alle nostre scale percettive umane, ma magari percepibile con macchine che sondano il nano od il pico-spazio. E quindi che anche la gravita’ appaia cosi’ debole di intensita’ perche’ non percepiamo/consideriamo che essa possa agire anche in dimensioni extra, che magari non si sono “stirate” nel momento del big bang come le tre (altezza, profondita’, lunghezza) ma che sono invece rimaste infinitesimamente “arrotolate”, “impacchettate” tra queste :-)

  • # 9
    Cipo
     scrive: 

    Grazie della risposta Eleonora, è un onore che abbiate aperto questa nuova serie di post con la mia domanda :)

  • # 10
    Blobay
     scrive: 

    Mi rimane sempre difficile paragonare l’elettromagnetismo alla forza di gravità, per il semplice motivo che quest’ultima ha un valore “istantaneo”. I fotoni viaggiano alla velocità della luce ed a tale parametro devono sottostare. La forza gravitazionale interagisce anche tra corpi distanti svariati anni luce. Se ad esempio si forma un buco nero, la sua gravità interagisce immediatamente sui corpi più prossimi, mentre la luce (se ne fuoriuscisse) arriverebbe dopo molto. E’ per questo che si idealizza l’universo come un piano inclinato in base alla massa dei corpi celesti. Ma io ora mi chiedo: i gravitoni, sono realmente istantanei o è solo un’impressione derivata dal rapporto rispetto alla velocità dei fotoni?

  • # 11
    Unas
     scrive: 

    Non vorreri sparare una castroneria; ma mi sembra di aver letto in un libro di Greene che anche l’influenza gravitazionale sottostà alla velocità della luce nel vuoto; mi sembra in un esempio un cui diceva che nell’ipotetica sparizione del Sole la ripercussione sulla terra sarebbe avvenuta lo stessi 8 minuti dopo…

  • # 12
    Pleg
     scrive: 

    Anche a me sembra proprio che la velocita’ della luce sia la velocita’ massima per qualsiasi tipo di interazione fisica, compresa quindi quella gravitazionale.

  • # 13
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Le onde gravitazionali, se esistono, sono sicuramente limitate dalla velocità della luce.
    I gravitoni, in teoria anche, poi in pratica ci sono teorie che li vedono come particelle con più dimensioni, il che ha conseguenze sulla trasmissione della forza… Se ci fosse Lorenzo in giro sicuramente saprebbe spiegarcene di più… :)

  • # 14
    ILFUGHI
     scrive: 

    i miei due centesimi:
    possiamo immaginare (grossomodo ovviamente. Da buon laureato di economia mi piacciono le approssimazioni) che visto da fuori l’universo sia come un palloncino che si gonfia; solo che nella superficie invece di due dimensioni ce ne sono tre. Nell’istante la superficie è liscia. Nell’istante t2 mettiamo dal nulla una massa che chiameremo A. la superficie è ancora liscia, ma un pò piu grande, in quanto il palloncino si è gonfiato. nell’istante t3 la massa che abbiamo messo ha iniziato a ostacolare il gonfiaggio del palloncino, curvando lo spazio nei dintorni. nell’istante t4 il palloncino si gonfia ancora e la deformazione creata dalla nostra massa arbitraria è arrivata a interferire con un altro oggetto sulla superficie del palloncino dotato di massa che chiameremo B. Solo nell’istante t4 e non in t2 A avrà influenzato B

  • # 15
    AAA^3
     scrive: 

    Rispondo con il mio centesimo:
    non credo che la tua approssimazione sia valida nemmeno dal punto di vista relativistico; in quanta tu puoi già sottendere la massa come una deformazione dello spazio-tempo e non come un agente deformante….

  • # 16
    ILFUGHI
     scrive: 

    dal mio punto di vista è esattamente la stessa cosa. La immagino come una “ammaccatura” nel palloncino che si gonfia.
    Chiaramente è solo l’impressione di uno che non ha competenze specifiche nel settore e quindi quasi sicuramente sbagliata

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