Immaginiamo che il Sole sparisca improvvisamente e, con sé, la luce che emette. Ecco, non lo sapremmo per circa 8 minuti e 20 secondi. Infatti, la luce che arriva qui è stata emessa dalla nostra stella un tempo limitato nel passato, e viene vista circa 8 minuti dopo sulla Terra, dopo un viaggio di 150 milioni di km.

E la gravità?

Pongo meglio la domanda. Luce a parte, se il sole dovesse scomparire, la Terra per quanto continuerebbe a percorrere la sua orbita ellittica prima di vagare nell’immensità dell’Universo?

Come risposta riassuntiva, a conclusione di un ragionamento, si può dire che, con la sparizione del Sole, la Terra continuerebbe la sua orbità per circa 8 minuti e 20 secondi, come avviene per la luce.

“Si può, allora, evincere che la velocità della gravità non è uguale alla velocità della luce dal solo punto di vista osservazionale; ma queste due costanti devono essere esattamente uguali teoricamente, altrimenti la Relatività Generale andrebbe in pezzi”.

Povero Newton, sembra che la sua legge di gravitazione universale difetti di qualcosa, ed è proprio così, infatti. La legge rende possibile i calcoli per orbite planetarie ellittiche attorno al Sole, o attorno ad altri corpi celesti, ma le equazioni funzionano solo se la forza gravitazionale è istantanea.

Ovviamente il problema si pone non tanto in caso di scomparsa del Sole, ma supponendo la velocità della gravità uguale alla velocità della luce, quindi molto veloce, ma non istantanea, allora la Terra dovrebbe essere attratta da dove il Sole era 8 minuti e 20 secondi fa, non dove si trova il Sole in questo momento.

Per dare un’indicazione numerica, se dovessimo usare la legge di Newton per il calcolo effettivo dell’orbita terrestre, dovremmo presupporre che la velocità di gravità sia “20 miliardi di volte maggiore a quella della luce”, quindi un numero enorme e, nella pratica, indistinguibile da una velocità infinita.

Se allora consideriamo la velocità finita, “non si ottiene solo un’accelerazione radiale” (verso l’altra massa), ma anche una componente che accelera tangenzialmente la particella, il che“ renderebbe le orbite non solo ellittiche, ma instabili”.

Pertanto, secondo Einstein, serve allora sviluppare una teoria che unisca la gravitazione e i moti relativistici, e ciò significa sviluppare la relatività generale: una teoria relativistica del moto che incorpora la gravità in essa. Una volta completata, la Relatività Generale ha raccontato una storia drammaticamente diversa.

Per il funzionamento della gravitazione lo spazio assoluto, il tempo assoluto o qualsiasi altro segnale che si propaga a velocità infinita non può esistere. Anzi, “lo spazio e il tempo devono essere entrambi relativi per diversi osservatori e i segnali possono propagarsi solo a velocità esattamente uguali alla velocità della luce (se la particella propagante è priva di massa) o a velocità inferiori alla velocità della luce (se la particella ha massa)”.

Inoltre la teoria dovrebbe trovare anche un effetto aggiuntivo così da eliminare il problema di un’accelerazione tangenziale diversa da zero, derivata da una velocità di gravità appunto finita.

Questo fenomeno, è noto come aberrazione gravitazionale, ed è quasi esattamente cancellato dal fatto che “la Relatività Generale ha anche interazioni dipendenti dalla velocità”.

Un buon esempio della Terra che si muove e sente la forza del Sole cambiare mentre la Terra stessa cambia posizione, può essere “una barca che viaggia attraverso l’oceano, la quale scende in una posizione diversa mentre viene sollevata e abbassata di nuovo da un onda passante”.

La cosa straordinaria, e per nulla ovvia, è che questi due effetti si annullano quasi esattamente. Come riassunto, citando Forbes, “Il fatto che la velocità della gravità sia limitata è ciò che induce questa aberrazione gravitazionale, ma il fatto che la relatività generale (a differenza della gravità newtoniana) abbia interazioni dipendenti dalla velocità è ciò che ha permesso alla gravità newtoniana di essere una buona approssimazione”.

Allora ci può essere solo una condizione valida affinché questa cancellazione sia buona: che la velocità di gravità sia uguale alla velocità della luce.

Poteva finire qui? Certo che no. Si è parlato di buona, anzi buonissima approssimazione; tuttavia nella relatività generale, la cancellazione tra l’aberrazione gravitazionale e il termine dipendente dalla velocità è quasi esatta, ma non del tutto.

Nel nostro sistema, la gravità del Sole è troppo debole per produrre un effetto realmente misurabile. Servirebbe, dunque, un sistema con forti campi gravitazionali e distanze minori da una sorgente enorme, in cui la velocità dell’oggetto in movimento è sia veloce che in rapida evoluzione, in un campo gravitazionale, con un grande gradiente.

Il nostro Sole, e tante altre stelle, anche di massa 10 volte superiore alla nostra, non ci danno risultati apprezzabili. Servirebbe “recarsi” nei dintorni un buco nero binario, per esempio, o una stella di neutroni, anch’essa binaria.

Così, “idealmente, un sistema con un oggetto enorme che si muove con una velocità variabile attraverso un campo gravitazionale mutevole mostrerà questo effetto“. Allora si può dire che, date le forze in gioco, un sistema binario di stelle di neutroni, magari con una delle stelle di neutroni pulsar, si adatta al nostro conto.

Una pulsar, e in “particolare una pulsar di millisecondi, è il miglior orologio naturale nell’universo“. La stella di neutroni ruota, ed emette un getto di radiazione elettromagnetica che ha la possibilità di essere allineata con la prospettiva della Terra una volta ogni rotazione di 360 gradi. Se l’allineamento è corretto, osserveremo gli impulsi arrivare con massima precisione, potendo straordinariamente prevederli.

Se la pulsar si trova in un sistema binario, il fatto di spostarsi attraverso quel campo gravitazionale in cambiamento “provocherà l’emissione di onde gravitazionali, che trasportano energia lontano dal sistema gravitante”.

La perdita di energia proviene dal decadimento delle orbite della pulsar. Le previsioni del decadimento della pulsar sono altamente sensibili alla velocità di gravità.

Nei calcoli, usando il primissimo sistema pulsar binario mai scoperto, PSR 1913 + 16 (o binario di Hulse-Taylor), la velocità di gravità è stata stimata uguale alla velocità della luce con un margine di errore dello 0,2 %! Non pochissimo, in effetti, date le dimensioni di quei numeri, ma un ottimo risultato se si pensa il livello sperimentale delle misurazioni e le tante incertezze sui calcoli e errori vari.

Da quel momento, sono state svolte altre misurazioni che hanno dimostrato, con maggiore precisione, l’equivalenza tra la velocità della luce e la velocità di gravità.

Per esempio, nel 2002 l’allineamento tra Terra, Giove e una radio quasar molto potente (nota come QSO J0842 + 1835). Giove passò tra la Terra e la quasar e i suoi effetti gravitazionali fecero piegare la luce delle stelle in modo dipendente dalla velocità di gravità. Giove, infatti, “piegò la luce dal quasar, permettendoci di escludere una velocità infinita per la velocità di gravità e determinare che in realtà era tra 255 milioni e 381 milioni di metri al secondo, coerente con il valore esatto per la velocità della luce (299.792.458 m / s) e anche con le previsioni di Einstein“.

Ancora più recentemente, le prime osservazioni delle onde gravitazionali ci hanno portato vincoli ancora più severi.

Nel 2017 la scoperta delle onde gravitazionali, derivate da una luce generata da una fusione di stelle di neutroni, mise in evidenza il fatto che “i segnali di raggi gamma arrivassero appena 1,7 secondi dopo il segnale delle onde gravitazionali, attraverso un viaggio di oltre 100 milioni di anni luce”. Questa scoperta ci ha insegnato, allora, che la velocità della luce e la velocità di gravità effettivamente, ma differiscono, ma non di più di una parte in un quadrilione: 10¹⁵, quindi…

Come riporta Forbes, “Finché le onde e i fotoni gravitazionali non hanno massa a riposo, le leggi della fisica impongono che debbano muoversi esattamente alla stessa velocità: la velocità della luce, che deve essere uguale alla velocità di gravità“.

Come conclusione possiamo, allora, affermare che la velocità di gravità è uguale alla velocità della luce e che la fisica non permette che tale velocità sia diversa.

Grazie per l’attenzione,

Pierfrancesco Bianca

Fonti: Forbes, Wikipedia