Quando pensiamo alla gravità, tipicamente la consideriamo come una forza tra masse. Quando sali su una bilancia, per esempio, il numero sulla bilancia rappresenta l’attrazione della gravità terrestre sulla tua massa, dandoti peso. È facile immaginare la forza gravitazionale del Sole che tiene i pianeti nelle loro orbite, o l’attrazione gravitazionale di un buco nero. Le forze sono facili da capire come spinte e tiri.

Ma ora capiamo che la gravità come forza è solo una parte di un fenomeno più complesso descritto dalla teoria della relatività generale. Mentre la relatività generale è una teoria elegante, è una partenza radicale dall’idea della gravità come forza. Come disse una volta Carl Sagan, “Le affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie”, e la teoria di Einstein è un’affermazione davvero straordinaria. Ma si è scoperto che ci sono diversi esperimenti straordinari che confermano la curvatura dello spazio e del tempo.

La chiave della relatività generale sta nel fatto che tutto in un campo gravitazionale cade alla stessa velocità. Mettetevi sulla Luna e lasciate cadere un martello e una piuma, e colpiranno la superficie nello stesso momento. Lo stesso vale per qualsiasi oggetto indipendentemente dalla sua massa o composizione fisica, e questo è noto come principio di equivalenza.

Siccome tutto cade allo stesso modo indipendentemente dalla sua massa, significa che senza un punto di riferimento esterno, un osservatore libero lontano da fonti gravitazionali e un osservatore in caduta libera nel campo gravitazionale di un corpo massiccio hanno entrambi la stessa esperienza. Per esempio, gli astronauti nella stazione spaziale sembrano galleggiare senza gravità. In realtà, l’attrazione gravitazionale della Terra sulla stazione spaziale è quasi altrettanto forte che sulla superficie. La differenza è che la stazione spaziale (e tutto ciò che contiene) sta cadendo. La stazione spaziale è in orbita, il che significa che sta letteralmente cadendo intorno alla Terra.

Questa equivalenza tra galleggiamento e caduta è ciò che Einstein ha usato per sviluppare la sua teoria. Nella relatività generale, la gravità non è una forza tra masse. La gravità è invece un effetto della deformazione dello spazio e del tempo in presenza di massa. Senza una forza che agisce su di essa, un oggetto si muoverà in linea retta. Se si disegna una linea su un foglio di carta e poi si torce o si piega il foglio, la linea non apparirà più dritta. Allo stesso modo, il percorso rettilineo di un oggetto viene piegato quando lo spazio e il tempo vengono piegati. Questo spiega perché tutti gli oggetti cadono alla stessa velocità. La gravità deforma lo spazio-tempo in un modo particolare, quindi i percorsi rettilinei di tutti gli oggetti sono piegati allo stesso modo vicino alla Terra.

Quindi, che tipo di esperimento potrebbe provare che la gravità è uno spazio-tempo deformato? Uno deriva dal fatto che la luce può essere deviata da una massa vicina. Si sostiene spesso che, poiché la luce non ha massa, non dovrebbe essere deviata dalla forza gravitazionale di un corpo. Questo non è del tutto corretto. Poiché la luce ha energia, e per la relatività speciale la massa e l’energia sono equivalenti, la teoria gravitazionale di Newton prevede che la luce venga leggermente deviata da una massa vicina. La differenza è che la relatività generale prevede che sarà deviata il doppio.

L’effetto fu osservato per la prima volta da Arthur Eddington nel 1919. Eddington si recò sull’isola di Principe al largo della costa dell’Africa occidentale per fotografare un’eclissi totale. Aveva scattato delle foto della stessa regione del cielo qualche tempo prima. Confrontando le foto dell’eclissi e quelle precedenti dello stesso cielo, Eddington fu in grado di mostrare che la posizione apparente delle stelle si spostava quando il Sole era vicino. La quantità di deviazione concordava con Einstein, e non con Newton. Da allora abbiamo visto un effetto simile in cui la luce di quasar e galassie lontane viene deviata da masse più vicine. Si parla spesso di lente gravitazionale, ed è stata usata per misurare le masse delle galassie e persino per vedere gli effetti della materia oscura.

Un’altra prova è conosciuta come l’esperimento del ritardo temporale. La massa del Sole deforma lo spazio vicino ad esso, quindi la luce che passa vicino al Sole non viaggia in una linea perfettamente retta. Viaggia invece lungo un percorso leggermente curvo che è un po’ più lungo. Questo significa che la luce proveniente da un pianeta dall’altra parte del sistema solare rispetto alla Terra ci raggiunge un po’ più tardi di quanto ci aspetteremmo. La prima misurazione di questo ritardo temporale fu effettuata alla fine degli anni ’60 da Irwin Shapiro. I segnali radio sono stati fatti rimbalzare su Venere dalla Terra quando i due pianeti erano quasi ai lati opposti del sole. Il ritardo misurato del viaggio di andata e ritorno dei segnali fu di circa 200 microsecondi, proprio come previsto dalla relatività generale. Questo effetto è ora noto come ritardo di Shapiro, e significa che la velocità media della luce (determinata dal tempo di viaggio) è leggermente più lenta della velocità istantanea (sempre costante) della luce.

Un terzo effetto sono le onde gravitazionali. Se le stelle deformano lo spazio intorno a loro, allora il movimento delle stelle in un sistema binario dovrebbe creare increspature nello spazio-tempo, in modo simile al modo in cui agitare il dito nell’acqua può creare increspature sulla superficie dell’acqua. Quando le onde gravitazionali si irradiano dalle stelle, tolgono parte dell’energia al sistema binario. Questo significa che le due stelle si avvicinano gradualmente, un effetto noto come inspirazione. Mentre le due stelle inspirano, il loro periodo orbitale si accorcia perché le loro orbite diventano più piccole.

Per le stelle binarie regolari questo effetto è così piccolo che non possiamo osservarlo. Tuttavia nel 1974 due astronomi (Hulse e Taylor) scoprirono un’interessante pulsar. Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione che irradiano impulsi radio nella nostra direzione. La frequenza degli impulsi delle pulsar è tipicamente molto, molto regolare. Hulse e Taylor hanno notato che la frequenza di questa particolare pulsar accelerava leggermente e poi rallentava leggermente ad un ritmo regolare. Mostrarono che questa variazione era dovuta al movimento della pulsar mentre orbitava intorno ad una stella. Furono in grado di determinare il moto orbitale della pulsar in modo molto preciso, calcolando il suo periodo orbitale entro una frazione di secondo. Osservando la loro pulsar nel corso degli anni, hanno notato che il suo periodo orbitale si stava gradualmente accorciando. La pulsar si sta ispirando a causa della radiazione delle onde gravitazionali, proprio come previsto.

Infine c’è un effetto noto come trascinamento della struttura. Abbiamo visto questo effetto vicino alla Terra stessa. Poiché la Terra sta ruotando, non solo curva lo spaziotempo con la sua massa, ma lo torce intorno a sé a causa della sua rotazione. Questa torsione dello spaziotempo è conosciuta come trascinamento del telaio. L’effetto non è molto grande vicino alla Terra, ma può essere misurato attraverso l’effetto Lense-Thirring. Fondamentalmente si mette un giroscopio sferico in orbita e si vede se il suo asse di rotazione cambia. Se non c’è trascinamento della struttura, allora l’orientamento del giroscopio non dovrebbe cambiare. Se c’è trascinamento del telaio, allora la torsione a spirale dello spazio e del tempo causerà la precessione del giroscopio, e il suo orientamento cambierà lentamente nel tempo.

Abbiamo effettivamente fatto questo esperimento con un satellite conosciuto come Gravity Probe B, e potete vedere i risultati nella figura qui. Come potete vedere, concordano molto bene.

Ognuno di questi esperimenti dimostra che la gravità non è semplicemente una forza tra masse. La gravità è invece un effetto dello spazio e del tempo. La gravità è incorporata nella forma stessa dell’universo.

Pensateci la prossima volta che salite su una bilancia.