La forza di gravità è istantanea? / Is the force of gravity instantaneous?

 La forza di gravità è istantanea? / Is the force of gravity instantaneous?

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La forza di gravità che la Terra sperimenta orbitando attorno al Sole è emessa in maniera istantanea o si comporta come la luce? Grazie ad esperimenti e osservazioni possiamo trovare una risposta.

Quando osserviamo il Sole lo vediamo com’era otto minuti fa. Il Sole è distante dalla Terra 150 milioni di chilometri ed i fotoni, che viaggiano a circa 300 mila Km al secondo, quindi alla velocità della luce, impiegano circa 8 minuti per giungere sulla Terra.

Ma per quanto riguarda la gravitazione? La forza di gravità che la Terra sperimenta orbitando attorno al Sole agisce in maniera istantanea o si comporta come la luce?
In realtà, sembrerebbe non esserci nessuna relazione tra la propagazione della luce e la gravità, poiché la gravità deriva dalla massa e ha effetti totalmente diversi rispetto all’elettromagnetismo.

Grazie ad esperimenti ed osservazioni possiamo trovare una risposta. La gravità non è istantanea e risulta propagarsi esattamente alla velocità della luce. Ecco come lo abbiamo scoperto.

Misurare la velocità della gravità

Il primo a tentare di misurare la velocità della luce, almeno secondo la leggenda, fu Galileo Galilei. Organizzò un esperimento di notte, in cui due persone si sarebbero posizionate in cima a due colline adiacenti, ciascuna con  una lanterna. Uno di loro avrebbe acceso la propria lanterna e, quando l’altro l’avesse vista, avrebbe svelato la propria, consentendo al “collega” di misurare quanto tempo fosse trascorso. Sfortunatamente la velocità della luce apparve istantanea, limitata solo dalla velocità di reazione umana.

La risposta arrivò solo nel 1676, quando Ole Rømer ebbe la brillante idea di osservare la luna più interna di Giove, Io, mentre riemergeva dall’ombra del pianeta. Poiché la luce deve viaggiare dal Sole a Io, e poi da Io deve raggiungere i nostri occhi, dovrebbe esserci un ritardo da quando Io abbandona l’ombra di Giove, fino a quando non possiamo osservarlo sulla Terra.

Sebbene i risultati di Rømer fossero discordanti di circa il 30% dal valore effettivo, la sua è stata la prima misurazione della velocità della luce e la prima dimostrazione concreta che la luce viaggia a una velocità finita.

Il lavoro di Rømer influenzò molti importanti scienziati del suo tempo, tra cui Christiaan Huygens e Isaac Newton, che escogitarono le prime descrizioni scientifiche della luce.

Circa un decennio dopo Rømer, tuttavia, Newton rivolse la sua attenzione alla gravitazione e tutte le idee su una velocità finita vennero abbandonate. Secondo Newton, ogni oggetto massiccio nell’Universo esercitava una forza attrattiva su ogni altro oggetto, e quell’interazione è istantanea.

La forza gravitazionale è sempre proporzionale a ciascuna delle masse ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. Raddoppiando la distanza la forza gravitazionale si riduce ad un quarto e la direzione della forza gravitazionale è sempre lungo una linea retta che collega le due masse.

Questo è il modo in cui Newton formulò la sua legge di gravitazione universale, in cui le orbite matematiche da lui derivate corrispondevano esattamente al modo in cui i pianeti si muovevano nello spazio.

Ovviamente, a quell’epoca, sapevamo già come descrivere il moto dei pianeti intorno al Sole: le leggi di Keplero sul moto planetario erano vecchie di molti decenni quando arrivò Newton. Ciò che lui fece di così straordinario fu presentare una teoria della gravità: una struttura matematica che obbedisse a regole da cui si potevano derivare tutte le leggi di Keplero (e molte altre).

Affinché la concezione della gravità di Newton possa funzionare, la forza gravitazionale deve essere istantanea. Se la velocità di propagazione della gravitazione avesse un valore finito, la legge di Newton non funzionerebbe.

Fin dalla sua nascita, la gravità di Newton risolse ogni problema meccanico che la natura (e gli uomini) gli ponevano. Eppure, quando le osservazioni diedero l’idea che l’orbita di Urano sembrava violare le leggi di Keplero, la legge di Newton vacillò.

L’errore fu, però, spiegato grazie alla scoperta di un nuovo pianeta oltre l’orbita di Urano, il gigante Nettuno. Una volta calcolate posizione e massa del nuovo membro del sistema solare tutto sembrò tornare a posto.

La teoria di Newton iniziò a vacillare definitivamente dopo la stesura della Relatività Speciale, l’idea che lo spazio e il tempo non sono quantità assolute, ma piuttosto, il modo in cui li osserviamo dipende dalla velocità con cui ci muoviamo e dalla nostra posizione.

Come lo descrissero Fitzgerald e Lorentz, prima di Einstein, le distanze si contraggono e il tempo si dilata quanto più ci si avvicina alla velocità della luce.

Se questo è vero, ed osservatori diversi che si muovono con velocità diverse non sono d’accordo su distanze e tempi, allora come potrebbe essere corretta la concezione della gravità di Newton?

Proviamo a fare un esperimento mentale: Cosa succederebbe alla Terra se il Sole sparisse improvvisamente?

Sappiamo che la luce continuerebbe ad arrivare sulla Terra per altri otto minuti ed il Sole stesso per chi lo guarda sparirebbe una volta trascorso quel tempo. Ma per quanto riguarda la gravitazione? Cesserebbe all’istante? Tutti i pianeti, gli asteroidi, le comete e gli oggetti della fascia di Kuiper partirebbero in linea retta? O continuerebbero tutti a orbitare per un po’?

Il problema, secondo Einstein, è che la legge di Newton deve essere sbagliata. La gravità non è una forza istantanea che collega due punti qualsiasi dell’Universo.

Einstein ha prodotto un’immagine in cui lo spazio e il tempo sono intrecciati in quello che ha visualizzato come un tessuto inseparabile, lo spaziotempo, e che non solo le masse, ma tutte le forme di materia ed energia, lo deformano.

Invece che orbitare a causa di una forza invisibile, i pianeti si muovono semplicemente lungo il percorso determinato dalla curvatura dello spaziotempo che una massa produce.

Questa concezione della gravitàzione porta ad un insieme di equazioni radicalmente diverse da quelle di Newton, e prevede che la gravità non solo si propaghi ad una velocità finita, ma che la velocità di propagazione della gravità – deve essere esattamente uguale alla velocità della luce.

Per molti anni abbiamo effettuato test indiretti della velocità della gravità, ma niente che la misurasse direttamente. Abbiamo misurato come le orbite di due stelle di neutroni cambiavano mentre orbitavano l’una intorno all’altra, determinando che l’energia si irradiava ad una velocità finita: la velocità della luce, con una precisione del 99,8%.

Proprio come l’ombra di Giove oscura la luce, la gravità di Giove può piegare una fonte di luce sul fondo ed una coincidenza del 2002 ha allineato la Terra, Giove ed un quasar distante. La flessione gravitazionale della luce del quasar dovuta a Giove ci ha fornito un’altra misurazione indipendente della velocità della gravità: era ancora paragonabile alla velocità della luce, ma con un errore di circa il 20%.

Tutto questo ha cominciato a cambiare 10 anni fa, quando i primi rivelatori di onde gravitazionali hanno raccolto i primi segnali. Le onde gravitazionali generate dalla fusione di due buchi neri attraversavano l’Universo, dopo aver percorso un miliardo di anni luce sono arrivate a due rilevatori di onde gravitazionali a pochi millisecondi di distanza, una piccola ma significativa differenza.

Poiché i rivelatori si trovano in punti diversi della Terra, ci aspetteremmo un tempo di arrivo leggermente diverso se la gravità si propagasse a una velocità finita, ma nessuna differenza se fosse istantanea. Per ogni evento di onde gravitazionali, la velocità della luce è coerente con i tempi di arrivo delle onde osservate.

Poi, nel 2017 è successo qualcosa di spettacolare che ha spazzato via tutti gli altri nostri vincoli, sia diretti che indiretti.

Da aver percorso 130 milioni di anni luce, è arrivato un segnale di onde gravitazionali che è iniziato con un’ampiezza piccola ma rilevabile, quindi è aumentato di potenza mentre diventava più veloce in frequenza. Queste onde erano state emesse da due stelle di neutroni mentre si fondevano.

Ci sono voluti circa 130 milioni di anni perché sia ​​le onde gravitazionali che la luce di questo evento viaggiassero attraverso l’Universo e ci raggiongessero arrivando nello stesso identico momento: entro due secondi.

Ciò significa che se la velocità della luce e la velocità della gravità sono diverse, allora non sono diverse di più di circa 1 parte su un quadrilione, o che queste due velocità sono identiche al 99,9999999999999%. Questa è la misurazione più accurata di una velocità cosmica mai realizzata. La gravità viaggia davvero ad una velocità finita e quella velocità è identica alla velocità della luce.

Da un punto di vista moderno, questo ha senso, poiché qualsiasi forma di radiazione priva di massa, sia particellare che onda, deve viaggiare esattamente alla velocità della luce. Ciò che era iniziato come un presupposto basato sulla necessità di autoconsistenza nelle nostre teorie è stato ora confermato direttamente dall’osservazione.

La concezione originale di Newton della gravitazione non regge, poiché la gravità non è una forza istantanea. I risultati danno ragione ad Einstein: la gravitazione si propaga ad una velocità finita e la velocità della gravità è esattamente uguale alla velocità della luce.

ENGLISH

Is the gravitational force that the Earth experiences as it orbits the Sun emitted instantaneously or does it behave like light? Thanks to experiments and observations, we can find an answer.

When we observe the Sun, we see it as it was eight minutes ago. The Sun is 150 million kilometers away from the Earth and photons, which travel at about 300 thousand km per second, therefore at the speed of light, take about 8 minutes to reach the Earth.

But what about gravitation? Is the gravitational force that the Earth experiences as it orbits the Sun instantaneously or does it behave like light?

In reality, there would seem to be no relationship between the propagation of light and gravity, since gravity derives from mass and has totally different effects than electromagnetism.

Thanks to experiments and observations, we can find an answer. Gravity is not instantaneous and appears to propagate exactly at the speed of light. Here's how we discovered it.

Measuring the Speed ​​of Gravity

The first person to attempt to measure the speed of light, at least according to legend, was Galileo Galilei. He set up an experiment at night, in which two people would stand on top of two adjacent hills, each with a lantern. One of them would light their lantern, and when the other saw it, they would reveal theirs, allowing their “colleague” to measure how much time had passed. Unfortunately, the speed of light appeared to be instantaneous, limited only by the speed of human reaction.

The answer only came in 1676, when Ole Rømer had the brilliant idea of ​​observing Jupiter’s innermost moon, Io, as it emerged from the planet’s shadow. Since light has to travel from the Sun to Io, and then from Io to our eyes, there should be a delay from when Io leaves Jupiter’s shadow until we can observe it on Earth.

Although Rømer's results were about 30% off, it was the first measurement of the speed of light and the first concrete demonstration that light travels at a finite speed.

Rømer's work influenced many important scientists of his time, including Christiaan Huygens and Isaac Newton, who came up with the first scientific descriptions of light.

About a decade after Rømer, however, Newton turned his attention to gravitation, and all ideas about a finite speed were abandoned. According to Newton, every massive object in the universe exerts an attractive force on every other object, and that interaction is instantaneous.

The gravitational force is always proportional to each of the masses and inversely proportional to the square of the distance between them. Doubling the distance reduces the gravitational force to one-fourth, and the direction of the gravitational force is always along a straight line connecting the two masses.

This is how Newton formulated his law of universal gravitation, in which the mathematical orbits he derived corresponded exactly to the way the planets moved through space.

Of course, by then we already knew how to describe the motion of the planets around the Sun: Kepler's laws of planetary motion were decades old when Newton came along. What he did so amazingly was to present a theory of gravity: a mathematical structure that obeyed rules from which all of Kepler's laws (and many more) could be derived.

For Newton's concept of gravity to work, the gravitational force must be instantaneous. If the speed of gravitation were finite, Newton's law would not work.

From the outset, Newton's gravity solved every mechanical problem that nature (and humans) threw at it. Yet when observations suggested that the orbit of Uranus appeared to violate Kepler's laws, Newton's law faltered.

The error was, however, explained by the discovery of a new planet beyond the orbit of Uranus, the giant Neptune. Once the position and mass of the new member of the solar system were calculated, everything seemed to be back in order.

Newton's theory began to falter definitively after the writing of Special Relativity, the idea that space and time are not absolute quantities, but rather, the way we observe them depends on the speed at which we move and our position.

As described by Fitzgerald and Lorentz, before Einstein, distances contract and time expands the closer we get to the speed of light.

If this is true, and different observers moving at different speeds disagree about distances and times, then how could Newton's concept of gravity be correct?

Let's try a thought experiment: What would happen to the Earth if the Sun suddenly disappeared?

We know that light would continue to reach Earth for another eight minutes, and the Sun itself would disappear for those who look at it after that time. But what about gravitation? Would it cease instantly? Would all the planets, asteroids, comets, and Kuiper Belt objects start out in a straight line? Or would they all continue to orbit for a while?

The problem, according to Einstein, is that Newton's law must be wrong. Gravity is not an instantaneous force connecting any two points in the Universe.

Einstein produced a picture in which space and time are woven together in what he visualized as an inseparable fabric, spacetime, and that not just mass, but all forms of matter and energy, deform it.

Rather than orbiting due to an invisible force, planets simply move along the path determined by the curvature of spacetime that a mass produces.

This view of gravity leads to a radically different set of equations from Newton’s, and predicts that gravity not only travels at a finite speed, but that the speed of gravity – must be exactly the same as the speed of light.

For many years we’ve had indirect tests of the speed of gravity, but nothing to measure it directly. We measured how the orbits of two neutron stars changed as they orbited each other, determining that the energy radiated at a finite speed: the speed of light, to an accuracy of 99.8%.

Just as Jupiter’s shadow obscures light, Jupiter’s gravity can bend a light source at the background, and a coincidence in 2002 aligned Earth, Jupiter, and a distant quasar. Jupiter’s gravitational bending of the quasar’s light gave us another independent measurement of the speed of gravity: it was still comparable to the speed of light, but with an error of about 20%.

All this began to change 10 years ago, when the first gravitational wave detectors picked up signals. Gravitational waves from the merger of two black holes were traveling across the Universe, a billion light years away, and arrived at two gravitational wave detectors just a few milliseconds apart, a small but significant difference.

Because the detectors are in different places on Earth, we would expect a slightly different arrival time if gravity propagated at a finite speed, but no difference if it were instantaneous. For any gravitational wave event, the speed of light is consistent with the arrival times of the observed waves.

Then, in 2017, something spectacular happened that blew away all our other constraints, both direct and indirect.

Having traveled 130 million light years, a gravitational wave signal arrived that started out small but detectable, then grew in strength as it got faster in frequency. These waves were emitted by two neutron stars as they merged.

It took about 130 million years for both the gravitational waves and the light from this event to travel through the Universe and reach us at the exact same time: within two seconds.

This means that if the speed of light and the speed of gravity are different, then they are no different by more than about 1 part in a quadrillion, or that these two speeds are 99.9999999999999% identical. This is the most accurate measurement of a cosmic speed ever made. Gravity does indeed travel at a finite speed, and that speed is identical to the speed of light.

From a modern perspective, this makes sense, since any form of massless radiation, whether particle or wave, must travel at exactly the speed of light. What started as an assumption based on the need for self-consistency in our theories has now been directly confirmed by observation.

Newton's original conception of gravitation does not hold up, since gravity is not an instantaneous force. The results prove Einstein right: gravitation propagates at a finite speed and the speed of gravity is exactly equal to the speed of light.

Da:

https://reccom.org/la-forza-di-gravita-e-istantanea/?fbclid=IwY2xjawIxhy5leHRuA2FlbQIxMQABHTPZfS9efFsCv3uR0r7VwSGMb45Hd088wgP6_QQAz4l_ItTV5ru9N6zRMg_aem_4btIMAVDAq-3iXYHGoq4Kw