confronto con le onde elettromagnetiche

La teoria della relativit� generale formulata da Einstein prevede che le masse accelerate irraggino onde gravitazionali, cio� campi gravitazionali che si propagano alla velocit� della luce. Per capire il reale �funzionamento� delle onde gravitazionali pu� essere utile mostrare le analogie e le differenze con le onde elettromagnetiche. Le onde gravitazionali infatti sono molto simili alle onde elettromagnetiche, in quanto in entrambi i casi le onde sono prodotte da particelle dotate di carica o massa che si muovono di moto accelerato; inoltre, sia le onde gravitazionali che quelle elettromagnetiche trasportano energia, quantit� di moto e informazioni.

La differenza fondamentale � nel tipo di propagazione delle onde, che � dipolare nel caso dell�elettromagnetismo, mentre � quadrupolare nel caso di una campo gravitazionale. Questa diversit� di comportamento � legata al fatto che, in un sistema di riferimento cartesiano, il campo elettromagnetico � descrivibile con un vettore, quindi attraverso una terna di componenti spaziali; diversamente, il campo gravitazionale va descritto con un tensore, un ente matematico che viene individuato in un riferimento cartesiano da tre vettori, quindi identificabile attraverso tre terne di componenti spaziali. A livello di apparato matematico, si pu� dire che le equazioni del campo elettromagnetico sono lineari, mentre quelle del campo gravitazionale sono non lineari, in quanto la materia gravitazionale curva lo spazio-tempo e quindi subisce essa stessa le conseguenze della curvatura.

Dal punto di vista quantistico, al campo elettromagnetico � associato il fotone, una particella di massa nulla e spin (momento angolare) unitario, mentre al campo gravitazionale � associato il gravitone, che ha pure massa nulla, ma spin uguale a due; ci�, tradotto in termini pi� semplici, significa che la forza elettromagnetica pu� essere di tipo sia attrattivo che repulsivo, mentre la forza gravitazionale pu� essere solamente di tipo attrattivo.

Queste due diverse particelle si differenziano anche nel tipo di interazione con l�ambiente circostante: il fotone pu� interagire solamente con cariche elettriche e correnti, e possiede un potere di penetrazione molto basso, tanto da venire in genere assorbito dalla materia; il gravitone � invece in grado di interagire con tutte le forme di energia e materia, ma il suo potere di penetrazione � molto elevato, tanto che le onde gravitazionali riescono ad oltrepassare grandi nubi di polvere e oggetti molto massivi, come le stelle, senza perdere il loro quantitativo di informazioni.

Questo fatto porta ad una ulteriore differenza quantitativa sia nell�emissione che nell�assorbimento delle onde. La forza gravitazionale, a parit� di quantit� di massa e carica elettrica, d� luogo ad effetti molto pi� piccoli rispetto alla forza elettrica, poich� il valore della costante G (6,7�10-11 m2�s-2�Kg-1) che entra in gioco nel caso gravitazionale � minore di ben 20 ordini di grandezza rispetto alla costante K (9�109 m2�s-2�C-1), presente nel caso della forza elettrica. Di conseguenza l�interazione onda-materia nel caso gravitazionale risulta molto pi� limitata di quella che si ha nel caso elettromagnetico.

Da ci� consegue la grande difficolt� degli esperimenti per la ricerca delle onde gravitazionali, in quanto anche il tipo di apparato sperimentale da utilizzare per lo studio dei due tipi di campo � estremamente differente. Per l�elettromagnetismo � sufficiente studiare l�emissione di luce da parte di atomi accelerati in laboratorio (quindi studiare delle onde prodotte in loco); per rilevare le onde gravitazionali c�� invece necessit� di creare strumenti in grado di rilevare un effetto praticamente irrisorio: secondo gli ultimi calcoli teorici, al passare di un�onda gli strumenti di laboratorio dovrebbero registrare una variazione di lunghezza pari ad un milionesimo del diametro di un protone per ogni metro di lunghezza del rivelatore.