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La forza di gravità, Hubble e i viaggi su Marte

Bentrovati! Spero abbiate avuto occasione di osservare, tra una nebbia e l’altra, la cometa Catalina. Avete ancora pochi giorni per farlo, poi dovremo dirle addio. Ah, la prossima cometa visibile a occhio nudo, 46P/Wirtanen, passerà nel 2018. Curiosamente Wirtanen era la cometa inizialmente prescelta per la missione Rosetta di cui abbiamo parlato.
Oggi come promesso cominciamo ad affrontare alcuni argomenti di fisica. Le prime newsletter saranno dedicate a fare una panoramica sulla fisica moderna, giusto per creare un po’ di basi comuni e imparare alcuni termini. Cominciamo oggi parlando della forza di gravità e vedremo brevemente come questa influenza i concetti di tempo e spazio.
Come già detto, per richieste e suggerimenti, scrivetemi.
La mia mail è spacebreak [at] francescobussola.it

Di cosa parliamo
– cos’è una forza
– la forza di gravità, oggi
– pillole della settimana

Che la forza sia con te, giovane Newton
L’uomo nel corso della storia si è fatto più volte le stesse domande sulla natura delle cose: perché gli oggetti cadono e non fluttuano come le nuvole? Perché il Sole, la Luna, le stelle e i pianeti si muovono nel cielo? I Greci si diedero delle risposte intuitive, studiando il moto degli oggetti in base al loro fine, non alle cause: i corpi che cadono sono composti di terra ed acqua che, per loro natura, tendono ad assumere la posizione “che loro compete” andando verso il basso. Gli altri corpi, composti di fuoco e aria, tendono verso l’alto. I corpi celesti sono invece composti di una quintessenza e sono mossi da una causa prima.
Galileo, parecchi secoli dopo, cambiò paradigma: non chiediamoci perché i corpi si muovono. Chiediamoci come. Fu una rivoluzione. Le leggi di Galileo descrivevano la dinamica dei corpi (il moto), fregandosene delle cause. Galileo capì anche che un corpo fermo o che si muove in linea retta con velocità costante non cambia il suo moto a meno che non intervenga una forza esterna. Questo principio, detto principio di inerzia, è tutt’altro che intuitivo. I Greci ad esempio pensavano il contrario, ossia che servisse una forza per muovere un corpo con velocità costante. D’altronde per continuare a far scivolare un masso sul terreno bisogna spingerlo, altrimenti si ferma, no? Non avevano capito che la spinta era necessaria per bilanciare l’attrito tra il masso e il terreno, una forza esterna che ci lavora contro.
Fu Newton, parecchi secoli dopo, a capire che anche il moto dei gravi – ossia dei corpi che cadono – era dovuto a una forza, la forza di gravità. Una palla, che è fatta di materia, cade verso il suolo perché attratta dalla massa della Terra. Anche la Terra, che è fatta di materia, è attratta dalla massa della palla. La forza di gravità infatti agisce sui due corpi in gioco e lo fa in maniera simmetrica, ossia la palla e la Terra sentono la stessa forza di gravità. Ma poiché la Terra ha molta più massa della palla, ha un’inerzia maggiore, che è un modo fisico per dire che è più difficile muovere la Terra che la palla. Per muovere la Terra serve una forza più grande, perciò è la palla a cadere e non viceversa.
Ma il colpo di genio fu questo: la Terra, il Sole, la Luna, gli altri pianeti sono tutte palline nell’universo fatte di materia e si attirano le une con le altre in base alla forza di gravità. È questa forza che le fa muovere. Newton capì “la causa” dietro alla dinamica dei corpi celesti di Galileo e cominciò a sviluppare la matematica per descrivere le forze in gioco. È la nascita della meccanica dei corpi in movimento.
Ok, bella storia, ma non ci hai detto cos’è una forza.
Come nell’esempio della gravità, una forza è una qualsiasi interazione tra due o più corpi che cambia il loro stato di moto (o di quiete).

La forza di gravità, oggi
Oggi la legge di gravitazione universale proposta da Newton per descrivere questa interazione è stata superata da una teoria più completa, la Teoria della Relatività Generale di Einstein.
Tenete presente che per Einstein abbandonare la legge di gravitazione universale non fu una scelta facile. All’epoca – inizio Novecento – le teoria di Newton aveva superato tantissimi test sperimentali, arrivando addirittura a predire l’esistenza di un nono pianeta nel Sistema Solare: nel 1846 venne infatti scoperto Nettuno, nel punto esatto previsto dalle formule.
I motivi che spinsero Einstein, durante la formulazione della sua nuova teoria, ad abbandonare Newton, furono essenzialmente due: uno di carattere sperimentale e uno di carattere teorico.
Da una parte la teoria di Newton non riusciva a spiegare una particolare caratteristica dell’orbita di Mercurio, il pianeta del Sistema Solare più vicino al Sole (per gli appassionati di astronomia: il perielio di Mercurio “slittava” in maniera anomala rispetto all’orbita prevista da Newton).
D’altra parte Einstein aveva già formulato nel 1905 la Teoria della Relatività Speciale – la parte della Teoria di Einstein che non si occupa della gravità – e sapeva una cosa fondamentale. Secondo la Relatività, infatti, la distanza tra due punti, quella che noi misuriamo con il righello, non è unica, ma dipende dallo stato di moto di chi la misura. Significa che se io mi sto muovendo a una velocità diversa da te e proviamo a misurare lo stesso oggetto, troveremo due risultati diversi. È un’idea molto controintuitiva, lo so, soprattutto per il fatto che la differenza è spesso incredibilmente piccola e non la notiamo. Per ora fidatevi di me. Un giorno ne parleremo.
Fatto sta che la legge di gravitazione universale di Newton dipende proprio dalla distanza tra i corpi in gioco. Ma se la distanza cambia a seconda di chi la misura, quale bisogna usare?
Questa particolare e brillante domanda, più di ogni altra cosa, convinse Einstein che la legge di Newton era in qualche modo sbagliata.
Tra l’altro è interessante notare che la motivazione sperimentale – quella a proposito di Mercurio – e la motivazione teorica sono in qualche modo intrecciate tra loro: la legge di Newton è infatti sbagliata proprio perché dipende dalla distanza tra i corpi in gioco. L’errore – che di solito non si nota – è palese quando la forza di gravità è molto intensa. Mercurio è vicino al Sole e sente quindi un’intensa forza di gravità. Ecco perché le formule di Newton non funzionano in quel caso.

Bonus: Il tempo non è quello che pensiamo
Abbiamo detto che per la Teoria della Relatività, sia quella Speciale che quella Generale, la distanza non è una misura univoca, ma cambia a seconda di chi la osserva. E abbiamo detto che non solo lo stato di moto (la velocità) di chi sta misurando influisce sul risultato, ma – come nel caso di Mercurio – anche l’intensità della forza di gravità ha degli effetti sulla misura.
Il fatto ancora più stupefacente è che non solo le distanze sono affette da questo fenomeno. Siccome in Relatività il tempo e lo spazio sono fusi in un unico concetto, chiamato spaziotempo, anche il tempo è relativo, ossia cambia in base allo stato di moto dell’osservatore e all’intensità della forza di gravità dove è effettuata la misura.
Sono idee un po’ complesse da comprendere senza guardare delle formule, ma per ora è sufficiente che vi facciate un’idea. Per aiutarvi potete guardare i primi 10 minuti di questo video di Carlo Rovelli, noto fisico teorico italiano. Parla della relatività del tempo e di come è influenzato della gravità. Quando comincia a parlare dell’equazione di Wheeler-DeWitt potete fermarvi.

Parleremo più avanti della Teoria della Relatività e capiremo meglio questi concetti. Per ora fermiamoci qua.

Pillole della settimana
Alcune notizie di questi giorni, brevi.

Hubble ha visto cose
Hubble è un telescopio spaziale che orbita intorno alla terra e che da venticinque anni fornisce immagini fantastiche dell’universo. Parleremo un giorno della sua storia.
In questi giorni Hubble ha scattato delle nuove foto alla galassia NGC 6052, che si trova a 230 milioni di anni luce da noi nella costellazione di Ercole.
Una galassia è un grande insieme di stelle, “sistemi solari”, ammassi stellari, polveri, gas e detriti tenuti insieme dalla forza di gravità, La nostra galassia è chiamata Via Lattea, è quella grande fascia biancastra visibile a occhio nudo ne cielo notturno.
Sin dal 1969 ci si era accorti che NGC 6052 aveva una struttura strana. Dieci anni dopo qualcuno sospettò che non si trattasse di una galassia, ma di due galassie in collisione a causa della grande forza di gravità reciproca. E in effetti è così.
Nell’immagine seguente – una recente foto scattata da Hubble sovrapposta a una dell’osservatorio Apache Point (SDSS), – potete notare la struttura irregolare (si ingrandisce con un click).

Ecco invece la stupenda foto ad alta risoluzione scattata qualche giorno fa (si ingrandisce con un click).

Quattro nuovi elementi sulla tavola periodica
L’Unione internazionale di chimica pura e applicata (IUPAC) ha riconosciuto la scoperta, ossia la produzione sulla terra, degli elementi 113, 115, 117 e 118 della tavola periodica. Questi elementi chimici erano stati scoperti qualche anno fa, ma c’è voluto del tempo perché la IUPAC analizzasse gli studi prodotti in questi anni per confermarne l’effettiva produzione.
I gruppi di ricerca che li hanno prodotti hanno ora il diritto di scegliere il nome e il simbolo degli elementi chimici, che per ora erano chiamati ununtrium (Uut), ununpentium (Uup), ununseptium (Uus) e ununoctium (Uuo). Il settimo periodo (la settima riga) della tavola periodica è dunque completo.

L’Europa su Marte
L’ESA (l’agenzia spaziale europea) conferma che partirà a marzo la missione ExoMars. La missione, coordinata dall’Agenzia Spaziale Italiana, prevede nel 2016 il lancio di un satellite e di un dimostratore di atterraggio su Marte. Nel 2018 verrà invece inviato un rover. L’era dei viaggi su Marte si avvicina.

La Teoria delle Stringhe fa discutere
Vi avevo anticipato che negli ultimi tempi la Teoria delle Stringhe sta disilludendo molti fisici: non spiega più fenomeni di quanto facciano altre teorie quantistiche, ha qualche pregio ma vari difetti, tra i quali il fatto di non definire univocamente alcune quantità. Inoltre una delle sue predizioni più importanti – l’esistenza delle particelle supersimmetriche – non è stata ancora confermata nonostante i grandi progressi negli esperimenti. Non significa che queste particelle non esistano del tutto, ma non è bello non trovarle mai.
Lo scorso dicembre c’è stato un workshop su come riformulare il metodo scientifico in fisica moderna, un dibattito motivato soprattutto dal fatto che negli Stati Uniti la definizione di teoria scientifica è stata resa molto – forse fin troppo – rigorosa per contestare alle congregazioni religiose l’insegnamento del creazionismo nelle scuole. Il dibattito si sta focalizzando anche sulla Teoria delle Stringhe. Davide Castelvecchi su Nature (inglese) si chiede addirittura se sia scienza.

Per approfondire
– la legge di gravitazione universale ricavata come fece Newton (attenzione, formule)
– come funziona la gravità secondo Einstein (video in inglese)
– un riassuntone base della Teoria della Relatività Generale, per chi vuole buttarsi avanti
– le cento migliori foto di Hubble
– cosa è speculazione e cosa è scienza? Un articolo di Ellis e Silk (inglese, niente formule, un po’ tecnico)

Aggiornamento
Quando ho scritto che le leggi di Galileo descrivevano la dinamica dei corpi, intendevo la cinematica. Mi scuso per la svista. Grazie a chi me l’ha segnalato.