Gravitazione

Gravitazione

Attrazione mutua esistente fra tutti i corpi materiali. (Secondo la legge della gravitazione universale formulata da Newton, la forza di attrazione di due corpi è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.)

Già in epoca classica, alcuni filosofi-scienziati greci (Empedocle, Democrito, Platone, ecc.) ritenevano che esistesse una mutua attrazione fra "sostanze analoghe", ivi compresi i corpi celesti; nel  XVI sec. N. Copernico avanzò l'ipotesi dell'esistenza di una "attrazione solare", ipotesi ripresa da J. Keplero che ne tenne conto nel formulare le sue leggi sul moto dei pianeti. Nel 1645, l'astronomo francese I. Boulliau (Bullialdo [1605- 1694]) enunciò una legge secondo la quale, tra i corpi celesti, esisteva una reciproca forza di attrazione inversamente proporzionale alla distanza o al quadrato delle distanze fra le masse dei corpi considerati; più tardi, P. de Fermat confermò che esisteva una forza di attrazione proporzionale alla massa del Sole. Fra il 1670 e il 1680 furono proposte da R. Hooke e da altri studiosi precise leggi sull'attrazione universale; C. Huygens dimostrò, considerando le orbite dei pianeti, che il moto di questi era dovuto a una forza inversamente proporzionale ai quadrati delle distanze dal Sole. Huygens inoltre enunciò una teoria basata sulle sue ipotesi ondulatorie e dimostrò che l'accelerazione di gravità varia a seconda delle latitudini e dipende dalla forza centrifuga (da lui scoperta nel 1673).

Nel 1687, I. Newton mise ordine in tutte queste ipotesi e, basandosi su calcoli precisi, giunse a formulare una legge sulla gravitazione universale espressa dalla formula

dove F è l'intensità della forza di attrazione, f indica una costante universale, m e m' sono le masse dei corpi considerati e d è la distanza fra questi. La legge di Newton permise di spiegare numerosi fenomeni legati o dipendenti dalla gravità; misure della gravità effettuate in seguito confermarono la validità della legge. Successivamente più accurate misure della gravità rivelarono anomalie di questa, sia riferita alla Terra, sia riferita al moto degli astri; ciò indusse gli studiosi dei secoli seguenti (P. S. Laplace, H. A. Lorentz, A. Einstein) a rivedere, precisare e modificare la legge di Newton, senza tuttavia riuscire a spiegare l'origine e la natura della gravitazione.

I fenomeni della gravitazione sono descritti dal campo gravitazionale, ossia dal campo delle forze di attrazione dei corpi: le proprietà di tale campo sono espresse, in prima approssimazione, dalla legge di Newton. Il campo gravitazionale è, comunque, un campo che ammette un potenziale le cui caratteristiche sono definite dalle equazioni di Laplace e di Poisson. Alle forze agenti nei campi gravitazionali si deve l'attrazione che la Terra e i corpi celesti esercitano fra loro e su tutti i corpi; inoltre, da queste dipendono anche la forma delle traiettorie dei corpi nello spazio e, entro certi limiti, le anomalie del comportamento dinamico di questi.

In base alle più recenti osservazioni astronomiche (anomalie dell'orbita di Mercurio, ecc.) A. Einstein formulò una teoria della gravitazione che intende essere un modello geometrico dei fenomeni gravitazionali basato sulla teoria della relatività generale. Secondo la teoria della relatività generale, le proprietà geometriche dello spazio-tempo sono determinate dalla presenza di masse gravitazionali; in particolare in prossimità di un corpo materiale lo spazio non è euclideo, ma possiede una curvatura non nulla; di conseguenza le geodetiche non sono delle rette ma delle linee curve. In questo spazio si può formulare un principio di inerzia generalizzato, asserendo che ogni punto materiale, non soggetto a forza, si muove lungo una geodetica. Dalle equazioni della relatività generale si può dedurre che in prossimità di un corpo materiale le geodetiche sono approssimativamente delle coniche; si riottiene così in prima approssimazione la teoria newtoniana della gravitazione, ma in questa nuova formulazione non si introducono forze gravitazionali, in quanto l'effetto del campo di gravitazione si manifesta attraverso le modificazioni delle proprietà geometriche dello spazio. In presenza di campi gravitazionali molto intensi la teoria einsteniana si discosta da quella di Newton e prevede nuovi fenomeni che sono stati in parte verificati sperimentalmente, come la rotazione del piano dell'orbita dei pianeti e l'incurvamento dei raggi luminosi in vicinanza di una massa gravitazionale. Inoltre questa teoria ha importanti implicazioni cosmologiche sull'evoluzione e sulla struttura dell'universo