Il modello cosmologico standard ΛCDM - Parte I: cos'è e come si ricava

[ciclociano]

Ed è proprio questa distinzione fra fotoni che seguono il "tessuto spaziotemporale incurvato dalla gravità", proprio perchè essendo privi di massa NON risentono della forza di gravità, e neutrini che una massa ce l'hanno anche se trascurabile, generava la mia perplessità sulla loro appartenenza alle onde elettromagnetiche (radiazione).

[Enrico Corsaro]

Beh, ma questo non vale anche per corpi dotati di massa? Nel senso che anche un corpo massiccio non è LETTERALMENTE attirato dalla gravità, ma piuttosto "scivola" verso la zona di spazio tempo maggiormente incurvata... o sbaglio? Scusa non è proprio questo cio che afferma la relatività generale?

No non è così. Partiamo da una considerazione importante. Gli effetti di curvatura dello spazio-tempo sono significativi solo quando le masse diventano importanti, almeno dell'ordine di un pianeta come la Terra per intenderci. Per significativo intendo che l'effetto prodotto sullo spazio-tempo da quella massa riesce a produrre una distorsione che possiamo misurare, se pur molto molto piccola. Corpi più piccoli non producono, anche se in linea di principio lo fanno, effetti realmente tangibili, perchè talmente piccoli da non influenzare lo spazio-tempo in modo significativo.
Un corpo dotato di massa dunque ha due effetti:

1. crea un campo gravitazionale, qualsiasi sia la sua massa e fa si che altri oggetti dotati di massa risentano di questo campo, e ne vengano attirati (e non perchè lo spazio si curva, ma perchè la forza gravitazionale agisce direttamente tra i due corpi, secondo la ben nota legge di gravitazione)
2. se la sua massa è abbastanza elevata, riesce a deformare lo spazio-tempo, facendo si che anche la luce ne risenta deflettendo il suo percorso altrimenti rettilineo.

Dunque un corpo massivo non risente di per sè della curvatura dello spazio-tempo ma la PRODUCE, facendo si che ne risentano invece i fotoni. Ciò che risente della curvatura dello spazio-tempo sono quindi i fotoni, e non i corpi dotati di massa.

I due effetti non vanno confusi. Dunque @ciclociano si chiedeva: perchè i neutrini sono assimilabili ai fotoni in questo contesto? Semplicemente perchè hanno una massa talmente piccola da non risentire di un campo gravitazionale in maniera sensibile da parte di altri corpi, se pur massicci. Quindi si comportano un pò come dei fotoni, ma NON sono fotoni, nè risentono della curvatura dello spazio-tempo come invece fanno i fotoni. Infatti un neutrino può essere deflesso, se non addirittura assorbito, e ciò non è dovuto alla curvatura dello spazio-tempo, come invece avviene per i fotoni, ma è dovuto all'azione DIRETTA della forza gravitazionale tra il neutrino ed il corpo che lo attira a se (e deve essere qualcosa di veramente veramente massivo ed esteso nello spazio, come ammassi di galassie ad esempio).

Per capirlo meglio facciamo un semplice calcolo. Consideriamo un neutrino in prossimità di un pianeta. Assumiamo che la massa del neutrino sia pari a 10^-37 Kg. Consideriamo un pianeta tipo Terra, con una massa di 10²⁴ Kg. Se i due sono posti ad una distanza di 10 000 Km (poco meno di due volte il raggio terrestre, abbastanza poco da permettere al neutrino di passare molto in prossimità del pianeta), avremo che la forza esercitata dalla Terra sul neutrino è pari a 10^-38 Newton!
Per farvi rendere conto di quanto sia enormemente piccolo questo valore, basti pensare che la stessa forza gravitazionale si eserciterebbe tra un protone e questo pianeta, ma con una distanza fra i due pari ad 1 miliardo di Km! Vale a dire un protone posto a circa la distanza tra il Sole è Saturno, vi rendete conto? Il suo effetto è praticamente INESISTENTE.

Questo non lo sapevo!!!
Ma mi pare di capire che non ha nulla a che fare con il redshift legato alla espansione dello spazio tempo, piuttosto dipende dal fatto che il tempo nei pressi di una grossa fonte gravitazionale (ad esempio una stella) è leggermente rallentato, perciò la luce emessa, una volta che si lascia alle spalle il campo gravitazionale della stella, diminuisce di frequenza poiché il tempo alla esterno del campo gravitazionale scorre più velocemente (perciò aumenta la lunghezza d onda).
Ho capito bene?

Si infatti sono due effetti completamente diversi!! Parlerò del redshift cosmologico (cioè causato dall'espansione) nella seconda parte di questo articolo .

[Enrico Corsaro]

Ed è proprio questa distinzione fra fotoni che seguono il "tessuto spaziotemporale incurvato dalla gravità", proprio perchè essendo privi di massa NON risentono della forza di gravità, e neutrini che una massa ce l'hanno anche se trascurabile, generava la mia perplessità sulla loro appartenenza alle onde elettromagnetiche (radiazione).

@ciclociano no no, nessuno sostiene che i neutrini appartengano alle onde elettromagnetiche. Semplicemente si definisce in cosmologia una categoria energetica che prende il nome di termine di radiazione (forse un nome un pò infelice, ma così è stato scelto, è solo una convenzione alla fine). In questa categoria si vanno ad inserire tutte le "cose" che non hanno sostanzialmente una massa significativa, quindi certamente i fotoni, ma anche i neutrini. I neutrini comunque rimangono particelle fondamentali con loro caratteristiche ben definite e completamente distinte dai fotoni .

[ciclociano]

Adesso si, che tutto mi è chiaro!
Grazie infinite Enrico.

[DarknessLight]

Un corpo dotato di massa dunque ha due effetti:
1) crea un campo gravitazionale, qualsiasi sia la sua massa e fa si che altri oggetti dotati di massa risentano di questo campo, e ne vengano attirati (e non perchè lo spazio si curva, ma perchè la forza gravitazionale agisce direttamente tra i due corpi, secondo la ben nota legge di gravitazione)

Oddio!! Mah?!
D'accordo la legge di gravitazione ben nota, ma io ho sempre pensato che la mutua attrazione gravitazionale tra corpi massicci funzionasse per deformazioni dello spazio tempo le quali avvicinano i corpi...
scusa se insisto ma anche nelle semplici analogie in cui spiegano i buchi neri, o semplicemente l orbita della terra intorno al sole, mostrano sempre una superficie bidimensionale incurvata da una massa...e proprio per questo effetto i pianeti orbitano intorno al sole, cioè proprio perché stanno "scivolando" nell imbuto gravitazionale da esso prodotto.
Ma ora tu mi dici che in realtà si tratta di un effetto che si instaura tra due corpi dotati di massa, ma se fosse così non sarebbe forse necessario ipotizzare una particella che veicola il campo gravitazionale? Come il gravitone ad esempio, il quale pero non so quanto abbia di reale...
scusa ma che senso ha a questo punto la curvatura gravitazionale se in realtà NON è questa a produrre l attrazione tra corpi massicci?

Si infatti sono due effetti completamente diversi!! Parlerò del redshift cosmologico (cioè causato dall'espansione) nella seconda parte di questo articolo

Ok grande , ma quello che ho detto prima riguardo il redshift gravitazionale è corretto?

[Enrico Corsaro]

scusa ma che senso ha a questo punto la curvatura gravitazionale se in realtà NON è questa a produrre l attrazione tra corpi massicci?

In effetti non è una questione semplice da interpretare, provo a risponderti sulla base della mia comprensione del problema. E' vero che la massa curva lo spazio-tempo ma dipende sempre da quanta massa c'è. Per limiti bassi, rientriamo nel regime spiegato dalla teoria classica, quindi sostanzialmente non c'è in questo caso alcuna curvatura da prendere in considerazione. In qualche modo la forza di gravità doveva essere inizialmente collegata alle altre forze fondamentali, che sappiamo sono mediate da particelle. Einstein con la teoria della relatività non spiega cosa sia la gravità, anzi, proprio perchè non sapeva cosa di base essa fosse ha trovato un modo assolutamente originale per quei tempi di mimarla: il moto accelerato.

La relatività generale nasce come una teoria che ci spiega, dal momento che non sappiamo spiegare a livello intimo la natura della forza gravitazionale, come possiamo "simulare" la forza gravitazionale tramite il moto accelerato, cioè l'utilizzo di sistemi non-inerziali. E funziona egregiamente, ma senza spiegare di per sè cosa sia la gravità. Un esempio ben comprensibile e famoso è quello dell'ascensore in caduta libera. Chi si trova al suo interno, non è più spinto verso il basso, perchè in quel sistema di riferimento non risente più della forza di gravità. Ecco da dove nasce tutta l'idea di Einstein di interpretare la forza di gravità come un tipo particolare di moto, quello accelerato. Ma questo non ti spiega come la forza di gravità sia prodotta. Ancora ad oggi non capiamo come la massa crei la gravità, o se addirittura sia il viceversa, cioè che dove c'è gravità si crei massa.

La curvatura prodotta sullo spazio-tempo dal Sole è appena sufficiente a deflettere un raggio di luce producendo un angolo (detto angolo di Newton) dell'ordine di un arcosecondo. Questa curvatura non è spiegabile in modo classico, ma richiede la teoria della relatività generale. I moti planetari invece, sono perfettamente rappresentati e spiegati dalla teoria classica per effetto della forza di gravità. In entrambi i casi comunque, non si sta spiegando come l'interazione avvenga a livello intimo (particellare o ondulatorio che sia). Se fosse come dici tu, cioè se i moti planetari ecc. fossero causati dalla curvatura dello spazio-tempo, allora avremmo prove della relatività generale ovunque, anche dal famoso esperimento di Cavendish che permise di avere il primo calcolo della costante di gravitazione universale. Invece non è qui che interviene la relatività generale. Nel nostro sistema solare essa interviene solo in un caso misurabile, cioè sull'orbita di Mercurio (che è il più vicino dei pianeti al Sole), ed in che modo? Producendo un effetto noto come precessione del perielio dell'orbita di Mercurio, il quale è già previsto dalla teoria classica ma non grande abbastanza da spiegare quanto si osserva. Ciò che manca per riprodurre a pieno ciò che si osserva è l'effetto della curvatura dello spazio-tempo causato dalla grossa massa del Sole e dalla vicinanza di Mercurio, che ne risente di più fra tutti i pianeti del sistema solare. Si tratta comunque di un effetto molto piccolo, una velocità di precessione di circa 43 arcosecondi ogni 100 anni.

Ok grande , ma quello che ho detto prima riguardo il redshift gravitazionale è corretto?

Si!

[Red Hanuman]

@Enrico Corsaro, in effetti anch'io l'ho sempre pensata come @DarknessLight. Puoi darci una panoramica più dettagliata?
Edit: ULP! MI hai letto nel pensiero....

[DarknessLight]

GRAZIE!! GRAZIE!! GRAZIE!!
Non immagini quanto io ti sia grato delle OTTIME risposte che riesci sempre a fornirmi!!

Aggiungo solo una cosetta:

I moti planetari invece, sono perfettamente rappresentati e spiegati dalla teoria classica per effetto della forza di gravità.

Questo ok, ma semplicemente possiamo affermare che per i semplici casi di meccanica celeste (sistema solare appunto) basta Newton. Invece Einstein è più generale come teoria e COMPRENDE quella Newtoniana, ciò significa che semplicemente per i pianeti è più COMODO usare Newton perché gli effetti di curvatura sono modesti per il sistema solare, ma IN LINEA TEORICA dovrebbe essere benissimo applicabile anche Einstein.

Se fosse come dici tu, cioè se i moti planetari ecc. fossero causati dalla curvatura dello spazio-tempo, allora avremmo prove della relatività generale ovunque

E qui dovrebbe essere il discorso di prima, ovvero che semplicemente la curvatura è troppo poco accentuata perciò è più COMODO usare Newton.


Poi magari in seguito approfondiremo il discorso che la gravità sia veicolata o meno da particelle: so bene che ad oggi nessuno ancora lo sa, ma mi pare di capire che per avere un unificazione sia necessario il gravitone o simili

[Enrico Corsaro]

Si esatto, la RG può spiegare la teoria Newtoniana (in questo senso la comprende). Ma per avere le prove della RG dobbiamo prendere i casi in cui la teoria Newtoniana non è più valida. Nel nostro sistema solare questi casi sono ben pochi, così come in generale nell'esperienza quotidiana. Dobbiamo andare a casi più al limite per capire come la RG riesce a spiegarli tramite la curvatura dello spazio-tempo (e.s. lenti gravitazionali, buchi neri, stelle di neutroni, nane bianche, ecc.).

Grazie a te e agli altri per i commenti e le domande, sollevare dubbi è importante e costruttivo, anche per me ovviamente!

[Red Hanuman]

@Enrico Corsaro, vediamo se ci siamo: la RG è SEMPRE valida, sia per masse piccole che per masse grandi.
Quindi, TUTTE le masse piegano lo spazio - tempo, e la RG sta alla base della gravitazione, nel senso che è la curvatura dello spazio - tempo a creare le condizioni per far nascere la gravitazione come la percepiamo.
Se così non fosse, la RG non sarebbe una legge universale.
Per masse più "piccole", però, la curvatura dello spazio - tempo è talmente bassa da essere tranquillamente considerata nulla (spazio in pratica "piatto", praticamente nessuna modifica dello scorrere del tempo), e in prima approssimazione si può usare Newton senza problemi.