Onde gravitazionali elettromagnetiche
Le onde gravitazionali sono di natura elettromagnetica; lo si deduce da una serie di prove di laboratorio e da considerazioni di astrofisica ( Studio sull’esistenza diretta delle onde gravitazionali di O. laudani 1989).
I ricercatori americani dell’osservatorio Bicep2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), un telescopio sensibile alle microonde installato in Antartide, hanno dato notizia a Boston, il 17 marzo 2014, di aver rilevato la polarizzazione primordiale B nella radiazione cosmica di fondo. In pratica e in modo indiretto di aver osservato le tracce di onde gravitazionali primordiali impresse nella polarizzazione della radiazione fossile legata al big bang. Gli scienziati hanno controllato questi dati per 3 anni prima di pubblicarli, escludendo quindi ogni altro possibile fattore di "disturbo" del segnale. Si attendono però conferme da altri laboratori astrofisici.
Le onde gravitazionali primordiali si manifestano nella "polarizzazione" del segnale radio (la direzione lungo cui oscilla l'onda elettromagnetica) nel senso che ne viene leggermente cambiato il piano di oscillazione.
La radiazione cosmica di fondo è il segnale radio che pervade in modo isotropo tutto lo spazio e che proviene dalle fasi iniziali dell'evoluzione dell'universo ( 10 alla meno 35 secondi) dopo il big bang.
Tutto questo ci ricorda la rotazione del piano di oscillazione del raggio ottico polarizzato dell’’effetto Faraday e ancora una volta ci mostra come onde gravitazionali e elettomagnetiche interagiscono fra di loro e ci indirizzano ad una medesima natura elettromagnetica.
Quando Maxwell studiò le cariche elettriche e il loro campo d'azione, tradusse la loro influenza dal punto di vista matematico e ne legò il fenomeno al magnetismo, disciplinando i campi di forza generati e formando così una sintesi delle leggi di Gauss e di Faraday. Poco prima del novecento infatti tutti gli studi sui fenomeni elettrici e magnetici facevano riferimento alle leggi di Coulomb, Ampére e Faraday- Neumann.
J. C. Maxwell (1831-1879) riuscì a condensare in poche equazioni ( quattro ) tutti i fenomeni elettromagnetici ( ottica compresa ). Le interazioni tra le cariche elettriche e i poli magnetici, la luce e le varie radiazioni diventarono così manifestazioni di un’unica entità energetica. E' la prima grande unificazione delle forze. Maxwell notò due asimmetrie tra i campi elettrici e magnetici E→ e B→. La prima riguarda, da una parte, la presenza della carica Q nella legge di Gauss per il campo elettrico e l’assenza di una carica analoga nella legge di Gauss per il campo magnetico; dall’altra la presenza della corrente elettrica nella legge di Ampère e l’assenza di una corrente “magnetica” nella legge di Faraday-Neumann. Questa asimmetria si spiega con il fatto che non sono stati scoperti poli magnetici isolati. Mentre possiamo liberare cariche negative e positive e farle circolare in modo autonomo, lo stesso non si riesce a fare con il magnetismo. Posso ridurre a livello infinitesimale un magnete ed avrà sempre due poli. Lo stesso elettrone, la particella elementare dell'elettricità, nella sua cinetica produce sempre un campo magnetico bipolare. Vi è anche un’altra importante asimmetria tra i due campi. Manca nella legge di Ampère un termine analogo a quello che compare al secondo membro della legge di Faraday- Neumann, cioè un termine proporzionale alla rapidità con cui varia il flusso del campo elettrico:
Λф( E→)/Λt
Partendo quindi da considerazioni di simmetria, Maxwell aggiunge questo “termine mancante” che gli consentì di risolvere alcune perplessità teoriche. Se alla legge di Ampère viene aggiunto un termine proporzionale alla velocità con cui varia il campo elettrico, precisamente
Km/2Ke* Λф( E→)/Λt
tale ’ambiguità sparisce. Un campo magnetico variabile genera un campo elettrico variabile (legge Faraday-Neumann) e anche un campo elettrico variabile genera un campo magnetico variabile (termine aggiunto da Maxwell). Siamo di fronte all’elettromagnetismo e al fenomeno dell’induzione magnetica, quasi un perfetto esempio di simmetria biunivoca. Analogamente al campo elettrico, il campo magnetico può essere rappresentato attraverso le sue linee di forza; dalla forza di Lorentz è possibile risalire all’unità di misura del vettore B. Consideriamo la quarta equazione di Maxwell. Nel caso di una particella che oscilla nel vuoto (i=0) essa diventerà
F (B→) = Km/2Ke* Λф( E→)/Λt
L’equazione può essere scritta nella forma equivalente
F (B→) = ε0 μ0 Λф( E→)/Λt
dove μ0 viene detta “permeabilità magnetica del vuoto” di valore 4π10-7 T m/A e ε0 è detta “costante dielettrica assoluta del vuoto” pari a 8,85*10-12C2/Nm2. Calcolando le dimensioni del prodotto ε0 μ0 si ottiene alla fine che è uguale a
V2
Il rapporto 1/√ ε0 μ0 equivalente a √ 2Ke / Km ha quindi le dimensioni di una velocità numericamente pari a 2,997925*108 m/s. Poiché questo valore coincide con quello della velocità della luce nel vuoto, Maxwell fece l’ipotesi che la luce fosse costituita da onde elettromagnetiche. I fatti poi gli daranno ragione. Faraday aveva dimostrato che anche il fotone subisce l'influenza dell'elettromagnetismo ( diamagnetismo); è quello che oggi viene definito " effetto Faraday ": il piano di un fascio di luce linearmente polarizzata che si propaga attraverso un mezzo materiale può essere deviato mediante l'applicazione di un campo magnetico esterno allineato alla direzione di propagazione , dimostrando così che luce e campo elettromagnetico sono della medesima natura.
Dalla capacità delle masse di influenzare ( effetto lente, Red Shift e Shapiro ), con il loro campo gravitazionale i fotoni, si dimostra una connaturalità energetica e la caratteristica elettromagnetica delle onde gravitazionali. L'analogia tra campo elettrico e campo gravitazionale è stringente, tanto che la formulazione matematica è praticamente identica, infatti alla legge di Newton
F= G* M.m /d2
corrisponde nel campo elettrico una forza attrattiva o repulsiva tra le particelle cariche similmente formulata
F= K* Qq /d2
Inoltre così come una massa che si trova in un campo gravitazionale possiede energia potenziale, allo stesso modo una carica che si trova in un campo elettrico possiede energia potenziale e la differenza fra le energie potenziali che queste masse o cariche possiedono in due punti diversi dello spazio, eguaglia il lavoro fatto dalla forza del campo (elettrico o gravitazionale) lungo lo spostamento che congiunge i due punti. Insomma matematicamente i campi elettrici e gravitazionali, ambedue conservativi e a simmetria sferica, sono molto simili e spesso si eguagliano, ciò indica che le caratteristiche energetiche si identificano; la gravità si dimostra essere, anche da questo punto di vista, un’onda elettromagnetica. Lo stesso teorema di Gauss del flusso è basilare sia nell'ambito della gravitazione che nell'elettromagnetismo. Anche il principo della sovrapposizione del campo elettrico si può estendere al campo gravitazionale.
"Tra onde gravitazionali ed onde elettromagnetiche vi sono molte analogie, ma anche differenze fisiche. Da un punto di vista sperimentale la differenza più importante è l'estrema debolezza delle onde gravitazionali rispetto a quelle elettromagnetiche. Per questa ragione l'osservazione di onde gravitazionali generate da apparati costruiti dall'uomo non appare praticabile. Le sorgenti di onde gravitazionali sufficientemente intense vanno perciò ricercate tra oggetti naturali di grandi dimensioni, come i corpi celesti..." ( UGIS-Virgo, Nuova Secondaria 2003, E. La Scuola, Brescia ) .
Partendo da considerazioni di simmetrie e considerando che non ci sono differenze sostanziali tra materia ed energia, tant’è le due entità si eguagliano, secondo la formula E= mc2, R. Mallett fece notare, negli anni 80, che nella meccanica classica di Newton è solo la materia a generare il campo gravitazionale, perciò dalla teoria della Relatività Generale ne discende che anche la luce è da ritenersi fonte di gravità. E’ questo comunque un concetto relativistico che lo stesso Einstein aveva espresso nella Relatività Generale quando affermava che alla materia doveva annoverarsi “altresì il campo elettromagnetico”.
Il campo gravitazionale di un raggio di luce fu studiato da Tolman (e ciò fu fatto utilizzando un’approssimazione del campo debole per le equazioni di Einstein del campo gravitazionale). Tolman poi determinò l ‘accelerazione di una particella stazionaria nelle immediate vicinanze di un raggio di luce. Ciò che egli scoprì fu che l ‘accelerazione di tale particella risultava doppia rispetto a quella ipotizzata sulla base della teoria di Newton per il campo gravitazionale prodotto da un materiale compatto di simile lunghezza e densità. Questo sembrò implicare che in qualche modo la luce fosse più efficace della materia stessa nel generare un campo gravitazionale. Il che porterebbe alla riformulazione della famosa E= mc2 oltre ad una riconsiderazione dei calcoli di Newton. Ma applicando la formula relativizzata del calcolo gravitazionale di Newton e considerando la gravità per ciò che risulta essere e cioè un’energia ondulatoria, si svela la soluzione e si concorda con il risultato della formula
F = Mm/d2 •( c ± Δv )/c
Una particella che viaggia alla velocità della luce verso una massa raddoppia la propria forza di gravità , infatti (c + c )/c dà 2. Al contrario una particella luminale che si allontana da un corpo alla velocità c diventa insensibile alla gravità di questo perché non viene più raggiunta da tale energia e l'espressione (c-c)/c diventa zero.
La formula spiega anche l'espanzione dell'universo dopo il Big Bang perchè la forza gravitazionale diminuisce non solo per la distanza ma anche perchè i corpi sono in crescente allontanamento creando così un redshift gravitazionale e un suo indebolimento energetico simile a quello della luce. La formula suggerisce quindi che l'espansione continuerà verso l'infinito.
E' noto che un fotone di frequenza ν trasporta una energia E = hν ( legge di Planck ) ed ha una lunghezza d'onda pari a c/v. Dall'effetto fotoelettrico, che evidenzia il comportamento corpuscolare della radiazione elettromagnetica, si deduce che la dualità onda-particella possa convivere, anche se Compton dimostrò che in un urto il fotone cede energia cambiando di frequenza. Lo stesso W. Pauli introdusse quello che definì "grado di libertà quantico a due valori" dal quale ne scaturì nel 1925 l'idea dello spin elettronico. Il primo però a respingere l'idea fu proprio Pauli preoccupato che ciò violasse la Relatività ristretta della velocità massima della luce poichè la rotazione dell'elettrone si sommava alla velocità c. Eppure dalla realtà dello spin è nata una scienza nuova , la spintronica, che studia le strutture elettroniche e di spin dei più svariati materiali. D'altronde , affermare che il quanto elettromagnetico ha massa a riposo nulla fa nascere un conflitto palese portando all’annullamento dell’ equivalenza E= mc2 ; perché se m=0 tutto va a zero. L’effetto perciò “lente gravitazionale” risulta dalla necessaria presenza di massa anche nel fotone o dalla considerazione assiomatica di Einstein che la materia curva lo spazio e il tempo o più semplicemente, diciamo noi, che la Gravità interferisce sul fotone perché sono aspetti simili, anche se peculiarmente diversi, della medesima natura elettromagnetica .
Per evitare che la formula relativistica
E= mc2
si annulli per il campo elettromagnetico si suole introdurre il concetto arbitrario del fotone che possiede massa cinetica. In pratica si fa confluire la legge di Planck per sostituire il termine E
m=hv/c2
un altro limite della formula E= mc2 è che questa è costruita per masse immobili , un pò come fece Newton per la sua formula della Gravità, per renderla dinamica occorre dividere per radice di 1 - v2 / c2
La legge di Planck
E = h. ν
chiarisce bene il dualismo, togliendoci dall’imbarazzo, ed identifica tutta l’energia ondulatoria con la frequenza per la costante universale 6,6 .10-27 erg. s.
Dalla classica formula dell' energia cinetica
E = 1/2 mv2
alla formula relativistica
E = mc2
fino a quella quantistica di Planck si ripercorre in sintesi tutta l'evoluzione fisica dell'energia.Dalla considerazione classica che l'energia appartiene alla massa e al suo dinamismo cinetico, alla coesistenza dell'energia che può essere sia massa che campo con la formula relativistica E=mc2, fino alla formulazione quantistica di Planck dove ormai è il campo il soggetto principale e l'energia dipende esclusivamente dalla frequenza. Come dire che la massa rientra in un aspetto di densità massima del campo di forze foto-elettro-gravitazionali. Per Einstein, che mai accettò l'idea indeterministica della Meccanica Quantistica, questo soccorso sembra quasi provocatorio. Del resto scienziati come Mach e Tesla presero sempre le distanze dalla Relatività Generale perchè non accettarono l'idea che la Gravità potesse curvare lo spazio e il tempo, entità che da soli non si reggono se non legati alla materia e alla sua velocità. Oggi i fisici tendono a semplificare la costante della velocità della luce. Del resto in astrofisica si misura lo spazio con il tempo della luce ( anno luce ). Dopo l’avvento della Relatività, il tempo è inteso come dinamica degli eventi al punto che utilizzando come misura la velocità della luce, si semplifica con 1 perché questa è una costante. Il tempo perciò non viene solo ridimensionato ma annullato. Rimane però il baluardo causale della successione degli eventi. Si può annullare o ridurre la velocità degli avvenimenti ma non si può intervenire nella successione degli eventi stessi. Insomma un essere vivente non può morire prima di nascere. Su questo la Meccanica Quantistica, che ritiene la freccia del tempo invertibile, non può dare risposte. Esiste una freccia del tempo obbligata dalla successione degli eventi e dagli effetti derivati dalla causa. Rimane ancora valida l’affermazione di Aristotele secondo cui il tempo è la misura del movimento tra il "prima" e il "poi". Vale, in un certo senso, la considerazione di Newton che distingueva tra il tempo assoluto, che scorreva uniformemente e quello relativo legato alla velocità degli avvenimenti.
Il premio Nobel per la fisica Robert Laughlin, per esempio, nel suo recente libro Un universo diverso (2006), ammette alcune manifeste illogicità di fondo della teoria della relatività generale. Egli infatti afferma testualmente: “Per colmo d’ironia, l’intuizione più brillante di Einstein, ovvero la teoria della relatività generale, può essere riassunta nel concettualizzare lo spazio come un mezzo, mentre la sua premessa originaria era che tale mezzo non esistesse affatto. L’idea che lo spazio possa essere costituito da una sostanza materiale di qualche tipo è in realtà molto antica e risale addirittura agli antichi greci, che l’avevano definita etere”. Einstein ha quindi escluso l’esistenza dell’etere, ma per farlo è stato costretto a ricorrere a contraddizioni logiche che hanno letteralmente trasformato la fisica in filosofia.
Queste parole fanno eco a quanto già dichiarato sulla teoria della relatività da una delle più grandi mente matematiche della storia, Nikola Tesla: “Una magnifica architettura matematica di grande fascino, che rende le persone cieche sugli erori che sono alla base di questa teoria. Questa teoria è come un barbone vestito di porpora che individui ignoranti considerano un re, i suoi esponenti sono uomini brillanti, ma sono dei metafisici piuttosto che scienziati… Sono convinto che lo spazio non possa essere curvato, per la semplice ragione che esso non ha proprietà. Di proprietà noi possiamo parlare solo quando ci riferiamo alla materia che riempie lo spazio. Affermare che in presenza di grandi corpi lo spazio diventa incurvato è equivalente a stabilire che qualcosa agisce sul nulla. Mi rifiuto di credere a questa teoria. La supposta curvatura dello spazio è interamente impossibile. E anche se esistesse non spiegherebbe il moto dei corpi come li osserviamo. Solo l’esistenza di un campo di forza può spiegarlo e la sua assenzione dispensa la curvatura spaziale dall’esistere. Tutta la letturatura scientifica su questo oggetto è destinata all’oblio”.
La visione dello spazio-tempo come una non-sostanza dotata di proprietà analoghe a quelle di una sostanza non è né logica né compatibile con i dati sperimentali. Potremmo piuttosto considerarla un’ideologia, scaturita da vecchie battaglie e un merito alla correttezza della relatività. Robert Laughlin, Nobel per la fisica nel 1998