le onde gravitazionali

confronto con le onde elettromagnetiche

La teoria della relatività generale formulata da Einstein prevede che le masse accelerate irraggino onde gravitazionali, cioè campi gravitazionali che si propagano alla velocità della luce. Per capire il reale “funzionamento” delle onde gravitazionali può 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, quantità di moto e informazioni.

La differenza fondamentale è nel tipo di propagazione delle onde, che è dipolare nel caso dell’elettromagnetismo, mentre è quadrupolare nel caso di una campo gravitazionale. Questa diversità di comportamento è legata al fatto che, in un sistema di riferimento cartesiano, il campo elettromagnetico è 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 può 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 è associato il fotone, una particella di massa nulla e spin (momento angolare) unitario, mentre al campo gravitazionale è associato il gravitone, che ha pure massa nulla, ma spin uguale a due; ciò, tradotto in termini più semplici, significa che la forza elettromagnetica può essere di tipo sia attrattivo che repulsivo, mentre la forza gravitazionale può essere solamente di tipo attrattivo.

Queste due diverse particelle si differenziano anche nel tipo di interazione con l’ambiente circostante: il fotone può 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 è invece in grado di interagire con tutte le forme di energia e materia, ma il suo potere di penetrazione è 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 parità di quantità di massa e carica elettrica, dà luogo ad effetti molto più piccoli rispetto alla forza elettrica, poiché il valore della costante G (6,7·10-11 m2·s-2·Kg-1) che entra in gioco nel caso gravitazionale è 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 più limitata di quella che si ha nel caso elettromagnetico.

Da ciò consegue la grande difficoltà 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 è estremamente differente. Per l’elettromagnetismo è 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’è invece necessità 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.