Gravitoni e propagazione della luce

Nebula

Ho letto dei supposti gravitoni e del fatto che viaggerebbero alla velocità della luce. Immaginando un sistema chiuso esente da attrito e deviazioni gravitazionali, mi chiedo cosa faccia la differenza tra velocità e propagazione. Se fotoni e gravitoni "partono" alla velocità della luce, come mai questi ultimi viaggiano per distanze incommensurabili mentre i primi si arrestano (o arresterebbero la loro influenza) dopo una distanza decisamente inferiore? Posso pensare che l'intensità dell'emissione sia diversa, ma si possono paragonare in qualche modo le due forze?

Ragionando a ritroso mi sorge spontanea un'altra domanda: in un sistema non più ideale, ma reale che presuppone attriti e curvature della luce date dai campi gravitazionali, qual è il limite di propagazione della luce, se un limite c'è?

Mi rendo conto che la domanda è semplicistica dato che le forze in gioco sono molto più complesse, ma mi piacerebbe avere una risposta, è il caso di dirlo, "illuminante"!

Michelangiolo Piccinali
1 settembre 2009

Caro letttore, come lei ha giustamente notato, non c'è una sostanziale differenza fra fotoni e gravitoni: entrambe viaggiano alla velocità della luce (nel vuoto), entrambe sono responsabili di una forza che ha un raggio d'azione infinito, ed entrambe coprono distanze incommensurabili nei loro viaggi nell'universo. Immagino che ciò che lei si chiede è come mai non sentiamo effetti macroscopici della forza elettromagnetica a grandi distanze, contrariamente al caso della forza gravitazionale. La risposta sta nella diversa distribuzione delle "cariche" delle due forze, ovvero nel fatto che la forza elettromagnetica può essere sia attrattiva che repulsiva.
Nell'Universo tutti gli oggetti macroscopici sono neutri dal punto di vista della carica elettrica: sono composti da particelle neutre (come i neutroni), o da un numero uguale di particelle di carica positiva (come i protoni) e carica negativa (come gli elettroni). Ciò provoca una "schermatura" della forza elettromagentica a grandi distanze. Sopravvivono degli effetti dovuti alla diversa distribuzione delle cariche a livello microscopico, e tali effetti li possiamo osservare anche a grandissime distanze (grazie al fatto che i fotoni viaggiano alla velocità della luce). Viceversa nel caso della forza gravitazionale non abbiamo cariche negative: tutte le particelle dotate di massa o energia si attraggono fra loro. Ciò fa sì che l'attrazione gravitazionale, per quanto molto più debole della forza elettromagnetica a livello microscopico, non sia mai schermata e risulti la forza che domina a grandi distanze nell'universo.
Riguardo l'ultima parte della domanda: quanto viene "disturbata" la propagazione della luce dai campi gravitazionali presenti nell'universo? In generale l'effetto è molto piccolo eccetto che in presenza di campi gravitazionali molto intensi, come quelli che si sviluppano al centro delle galassie o ancor più attorno a cosiddetti buchi neri. Vi sono molti fotoni prodotti poco dopo il big bang che hanno viaggiato (e continuano a viaggiare) quasi indisturbati da più di 10 miliardi di anni.
In presenza di campi gravitazionali molto intensi ciò che accade è che lo spaziotempo si deforma e i fotoni, invece di seguire traiettorie rettilinee, seguono delle traiettorie curve. Nel loro sistema di riferimento essi viaggiano sempre alla velocità della luce ma, a causa della curvatura dello spaziotempo, la velocità apparente misurata da osservatori in altri sistemi di riferimento può essere molto diversa. Ad esempio nel caso estremo di fotoni in prossimità di un buco nero, l'effetto apparente è quello di fotoni che rallentano sempre di più fino a "fermarsi", ovvero di fotoni che vengono "catturati" dal buco nero.

Gino Isidori Laboratori Nazionali di Frascati, INFN

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