La Relatività Generale di Einstein ha migliorato la capacità predittiva dei nostri modelli rispetto alla teoria della gravità di Newton.
Sebbene ancor oggi si utlilizzino le leggi di Newton per pianificare le rotte dei veicoli spaziali, è indiscutibile il fatto che, qualora non si tenga conto di una "correzione relativistica", i nostri navigatori - che "fanno il punto" servendosi dei segnali inviati da una costellazione di satelliti in orbita terrestre -, diverrebbero nel giro di qualche giorno completamente inattendibili.
Un aspetto meno noto circa le differenze tra le due teorie è che mentre in quella di Newton la gravità emerge soltanto dalla massa di un corpo, Einstein ci informa che questa emerga - oltre che dalla massa / energia - anche dalla pressione.
Che cosa significa?
Immaginiamo di pesare una molla in uno stato di riposo: comprimendola, varierà il suo peso?
In base alle leggi identificate da Newton la massa della molla rimane la stessa, il suo peso risulterà invariato e l'attrazione gravitazionale esercitata non cambierà dopo la compressione.
Secondo Einstein invece la molla si troverà a pesare di più, e per due diverse cause:
- L’energia trasferita alla molla nell’atto di comprimerla ne aumenta il peso.
Comprimendo la molla vi introduciamo energia.
A parità di massa, l'energia fornita contribuisce a curvare lo spaziotempo, generando gravità.
E=mc^2 (Energia eguale a massa moltiplicato per un coefficiente il cui valore è pari alla velocità della luce al quadrato), ci informa sull'equivalenza tra le due grandezze e indica l'energia totale relativistica del sistema.
Gli eventi di Hiroshima e Nagasaki hanno dimostrato come massa (di uranio o plutonio) sia convertibile in energia; ma anche l'energia può esser trasformata in massa.
Succede tutti i giorni negli acceleratori di particelle, dove queste ultime vengono accelerate da potenti campi magnetici, fornendo così loro energia cinetica.
Collidendo vengono generate particelle più pesanti (cioè dotate di una massa maggiore).
- Ma c'è una seconda causa, che come vedremo, determina importanti conseguenze: l'aumento di pressione.
Senza considerare l'effetto di quest'ultimo sulla gravità non saremmo ad esempio in grado di spiegare perché, in determinate condizioni, gli astri con una massa superiore ad un certo limite siano destinati a collassare in buchi neri.
Vediamo perché.
Le stelle sono costituite da atomi (in maggioranza di idrogeno ed elio) tenuti insieme dalla forza di gravità.
Nate da un collasso di una nube di idrogeno, raggiungono un equilibrio nel momento in cui l'aumento di temperatura (causato dalla crescente pressione dovuta al collasso gravitazionale) innesca i processi nucleari di fusione al loro interno.
Questi a loro volta producono una spinta indirizzata verso l'esterno che viene bilanciata dalla gravità (attrattiva) generata dalla massa del corpo celeste.
Tale equilibrio è destinato a rompersi una volta esaurito il combustibile nucleare: riducendosi la pressione positiva esercitata verso l'esterno, prevale la gravità e la stella inizia a collassare.
Le dimensioni così diminuiscono, la pressione positiva aumenta di nuovo bilanciando la gravità ed il collasso rallenta.
Tuttavia le equazioni di Einstein ci informano del fatto che una pressione positiva contribuisce a generare gravità attrattiva: aumenta cioè la forza che agisce in senso contrario, che per esser a sua volta bilanciata necessita di ulteriore pressione positiva.
Si genera una spirale dove proprio la pressione positiva, la forza su cui fa affidamento una stella per contrastare l'attrazione gravitazionale, contribuisce ad un aumento dell'attrazione verso l'interno, così da rendere inevitabile il completo collasso gravitazionale e la formazione di un buco nero (qualora la massa della stella superi un certo valore).
Abbiamo appena visto come massa e pressione positiva (molla compressa) contribuiscano positivamente alla gravità, e quindi comportino un aumento di peso.
Ma una molla, oltre che compressa, può esser stirata, ed invece di espandersi verso l'esterno essa cercherà di tornare alla forma iniziale contraendosi.
Che succede allora?
Viene esercitata una pressione negativa (o tensione) che invece di generare gravità attrattiva può produrre gravità repulsiva, qualcosa che le leggi di Newton non prevedono esista, e la cui presenza è l'unica spiegazione del fatto che il nostro universo non sia finora collassato.
Il modello originale proposto dalla Relatività Generale di Einstein raccontava di un universo composto da materia in movimento ma sostanzialmente immutabile nel suo complesso.
Einstein si rese subito conto che un universo composto da materia, la quale esercita gravità attrattiva, avrebbe visto tutte le galassie attirarsi l'un l'altra ed in breve tempo collassare in un punto.
Introdusse così, nell'equazione che porta il suo nome, un nuovo termine indicata con la lettera greca Λ (lambda), oggi conosciuto col nome di "costante cosmologica".
Valore di tale costante doveva, nelle intenzioni di Einstein, bilanciare esattamente l'attrazione gravitazionale evitando il collasso della materia.
Sappiamo poi che Einstein si sbagliava, e che è il Big Bang ad aver fornito una "spinta" all'espansione dello spazio causando così l'allontanamento delle galassie, ma non è questo il punto (infatti, se fosse solo l'energia conferita dal Big Bang, l'espansione avrebbe dovuto rallentare per effetto della gravità, così come un sasso lanciato per aria sale di quota ma sempre più lentamente prima di invertire la rotta).
Infondendo un'energia uniforme nello spazio, una costante cosmologica genera gravità repulsiva.
Oltre a fornire alla trama dello spazio un'energia uniforme (determinata dal valore della costante), contribuisce a riempire lo spazio di una pressione negativa uniforme che genera gravità repulsiva.
Attenzione a non confondersi!
La pressione negativa non attira verso l'interno, dunque non è in contrasto con la gravità repulsiva; la pressione uniforme, indipendentemente dal segno, né spinge né tira.
Un esempio sono i nostri timpani che si flettono soltanto quando la pressione presente all'esterno e all'interno non sia uniforme; perché si modifichino è necessario che da una delle due parti sia minore.
La spinta repulsiva è dunque la forza di gravitazione generata dalla presenza della pressione negativa uniforme.
Rimane da spiegare come al momento del Big Bang lo spazio fosse momentaneamente permeato da una pressione negativa enorme ed uniforme.
Ma qui entra in gioco il meccanismo dell'inflazione...
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