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Misurato il campo gravitazionale generato da una coccinella

Una recente ricerca condotta dall'Università di Vienna ha rilevato il campo gravitazionale generato da oggetti di dimensioni simili a quelle di una coccinella.

Categorie Fisica · Scienza e Scienziati

Ricercatori dell’ Università di Vienna e dell’Accademia delle Scienze austriaca sono riusciti in un esperimento senza precedenti. Utilizzando un pendolo altamente sensibile sono riusciti a caratterizzare il più piccolo campo gravitazionale mai testato. Infatti, l’oggetto dell’esperimento è stata una semplice sfera di oro dal diametro di soli 2 millimetri, insomma una pallina più piccola persino di una coccinella. I risultati ottenuti possono aprire scenari interessanti per il futuro, potendo ad esempio studiare le leggi gravitazionali su scale piccole, mai investigate prima d’ora.

Tra forza nucleare forte e debole, e forza elettromagnetica, la forza gravitazionale costituisce la forza essenziale più debole, nonostante sia comunque quella più intensamente presente nella nostra vita di tutti i giorni. In fondo lo dice il nome stesso, ovvero legge di gravitazione universale. Se facciamo una piccola riflessione, non sono così tante le leggi a cui viene accostato questo aggettivo, universale. Eppure la forza di gravità mantiene la sua valenza in tutto il Cosmo, applicandosi indistintamente a qualsiasi oggetto dotato di massa, che questa sia minuscola o infinitamente grande. Che si tratti di una mela in caduta da un albero, di una palla lanciata da un bimbo, o di un satellite in orbita, nessuno può sottrarsi all’azione della legge universale.

La legge di gravitazione universale

Per intenderci, potremmo appunto fare un esempio parlando di un oggetto in orbita terrestre, un satellite. In condizione di vuoto, gli oggetti vicini alla superficie terrestre sono soggetti alla stessa accelerazione gravitazionale “g“. Quindi, trascurando tipi di forza di altra natura, la velocità di tali oggetti aumenterebbe di 9,8 metri al secondo, per ogni secondo che passa. Ma cosa determina questi numeri, questo valore di accelerazione? L’intensità della gravità è principalmente data dalla massa dei corpi in esame, e dal quadrato della distanza tra gli stessi, come suggerito da Isacco Newton. Quindi, se ad esempio ci spostassimo per un attimo sulla Luna, troveremmo un corpo celeste circa 80 volte più leggero e 4 volte più piccolo del nostro pianeta. Ciò comporta, come sappiamo, una accelerazione gravitazionale più lieve, circa 6 volte minore di quella che schiaccia le nostre teste.

Sfera di oro usata per l'esperimento gravitazionale, comparata a una moneta da 1 centesimo di Euro. Crediti: Tobias Westphal / Arkitek Scientific
Sfera di oro usata per l’esperimento gravitazionale, comparata a una moneta da 1 centesimo di Euro. Crediti: Tobias Westphal / Arkitek Scientific

La domanda che si sono posti i ricercatori dell’Università di Vienna e dell’Accademia delle Scienze austriaca, segue in un certo senso l’esempio che abbiamo appena fatto. Nello specifico, se esistesse un pianeta dalle dimensioni paragonabili a quelle di una coccinella, cosa accadrebbe e quale sarebbe il campo gravitazionale associato? Grossolanamente, gli oggetti sentirebbero una forza di attrazione 30 miliardi di volte più piccola di quella terrestre. Si tratta di forze di gravità di entità così piccola che normalmente si verificano solamente nelle regioni più lontane delle galassie. Per la prima volta nella storia, il team di fisici quantistici è riuscito a dimostrare questo tipo di forze in laboratorio.

Il pendolo gravitazionale di Cavendish

Per raggiungere questo obiettivo gli scienziati hanno riprodotto l’esperimento ideato e condotto da Henry Cavendish, agli inizi del 18esimo secolo. In particolare, il lavoro condotto dal fisico inglese fu di fondamentale importanza per dimostrare che qualsiasi oggetto (persino una coccinella?) sulla Terra fosse in grado di generare il proprio campo gravitazionale. Nei primi tempi, infatti, dopo la pubblicazione della teoria di Newton, vi era la credenza che la gravità riguardasse solo le grandi masse, una sorta di proprietà d’elite, riservata solamente ai grandi corpi celesti.

Bilancia torsionale utilizzata da Henry Cavendish agli inizi del 18esimo secolo, derivante dagli stessi disegni iniziali del fisico inglese.
Bilancia torsionale utilizzata da Henry Cavendish agli inizi del 18esimo secolo, derivante dagli stessi disegni iniziali del fisico inglese.

Cavendish (seguendo il lavoro iniziato da Nevil Maskelyne) pensò quindi di usare un elegante pendolo torsionale. Grazie a tale dispositivo, e sfruttando una sfera di piombo da 160 kg e 30 centimetri di diametro, riuscì a misurarne la forza gravitazionale nel lontano 1797. Sostanzialmente, questo pendolo è caratterizzato dalle due masse poste alle estremità di una barra, la quale a sua volta è sospesa per mezzo di un filo sottile. La forza gravitazionale quindi pone in torsione le masse, e dalla misurazione della deflessione è possibile ottenere una stima delle forze gravitazionali in gioco.

L’esperimento gravitazionale condotto a Vienna

Il gruppo di scienziati di Vienna ha personalizzato il pendolo torsionale di Henry Cavendish, costruendone una versione in miniatura per analizzare forze di piccola scala. Gli strumenti utilizzati in questo caso includono innanzitutto due sfera di oro (da 2 mm di diametro) dal peso di 90 mg che fungono da massa gravitazionale. Due sfere di questo tipo, dalle dimensioni simili, sono quindi attaccate alla barra del pendolo. Tale barra è costituita da vetro, con una lunghezza di 4 centimetri e uno spessore di mezzo millimetro. A sua volta, questa barra è messa in sospensione grazie a una fibra di vetro con un diametro di pochi micrometri.

Pendolo torsionale e sfere di oro usate dal team di ricerca dell'Università di Vienna. Credit: Tobias Westphal, University of Vienna
Pendolo torsionale e sfere di oro usate dal team di ricerca dell’Università di Vienna. Insieme usato per rilevare il campo gravitazionale da un oggetto assimilabile a una coccinella. Credit: Tobias Westphal, University of Vienna

L’esperimento vero e proprio consiste poi nel mettere in movimento la sfera avanti e indietro, generando così un campo gravitazionale che varia nel tempo. Così facendo, il pendolo torsionale inizia ad oscillare ad una frequenza particolare, permettendo a particolari e complessi sistemi laser di risalire allo spostamento delle sfere. Tuttavia, l’ordine di grandezza di questi movimenti è di millesimi di micrometro, milionesimi di millimetro, insomma roba non molto grande. Ciò significa che la difficoltà più grande per questo tipo di esperimento è data dalla necessita di minimizzare qualsiasi tipo di perturbazione esterna che potrebbe contaminare il test. Ad esempio, persino le vibrazioni generate da pedoni e traffico tram nelle vicinanze del laboratorio di Vienna, potrebbero compromettere i risultati finali. Infatti, le misurazioni più significative ed importanti sono state ottenute durante le ore notturne e nel periodo natalizio, quando il traffico all’esterno era minimo.

Il campo della coccinella e gli sviluppi futuri

Grazie a questo tipo di esperimento, per la prima volta è stato rilevato il campo gravitazionale dato da un oggetto assimilabile ad una coccinella. Come detto, questo risultato apre numerose strade alla ricerca nell’ambito della fisica gravitazionale. Lo studio dei campi relativi a masse minuscole, e ad oggetti posti a distanze ravvicinate, potrebbe dare risposte importanti sul ruolo di materia oscura ed energia oscura all’interno delle dinamiche gravitazionali. Oppure ancora, analizzando il campo gravitazionale di oggetti di massa abbastanza piccola, sarebbe possibile osservare degli effetti quantistici?