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Astronomia

La verifica del Principio di Equivalenza

La gravità domina il nostro Universo regolando il moto dei corpi celesti non solo nel nostro Sistema solare ma determinando l'espansione stessa dell'Universo. La descrizione della gravità fatta da Newton permise di racchiudere in un unico "corpus" i fenomeni terrestri e celesti: le leggi che regolano la caduta dei gravi sulla Terra sono le stesse che muovono i pianeti attorno al Sole. Einstein ha esteso la teoria della gravità di Newton scoprendo che gravità e natura dello spazio e del tempo sono strettamente collegati e che dobbiamo abbandonare la pretesa di avere uno spazio ed un tempo assoluti.

L'esperimento di Pound e Rebka del 1960, poi ripetuto da Pound e Snider nel 1965, è una fondamentale verifica del Principio di Equivalenza che sta alla base della moderna interpretazione di Einstein della gravità come "curvatura" dello spazio-tempo.  
La Teoria della Relatività Generale di Einstein ha avuto enormi riflessi nella descrizione non solo degli oggetti massicci, stelle di neutroni e buchi neri, ma nella descrizione della struttura a grande scala (cosmologica) dell'Universo.

Per quanto complicata, questa raffinata teoria fisica ha alla sua base, e questo è veramente un "miracolo",  un semplice principio: il Principio di Equivalenza. Questo principio stabilisce che "è sempre possibile annullare localmente un campo gravitazionale con un sistema di riferimento uniformemente accelerato".  La conseguenza immediata di questo principio riguarda il comportamento di corpi di differente composizione chimica e fisica in caduta libera in un campo gravitazionale. Ebbene se è sempre possibile annullare un campo gravitazionale, seppur localmente con un sistema di riferimento uniformemente accelerato, ecco che la massa gravitazionale di un corpo deve sempre essere uguale a quella inerziale.
Per massa inerziale si intende l'inerzia che un corpo offre quando su di lui agisce una forza, mentre quella gravitazionale corrisponde alla sua massa soggetta ad un campo gravitazionale, ad esempio quello terrestre.

Già l'esperimento di Eötvos del 1904, aveva verificato la validità di questo principio per i corpi materiali misurando, con una bilancia gravitazionale, l'uguaglianza tra massa inerziale e gravitazionale con una notevole precisione. Quello che Pound e Rebka fecero con successo nel 1960  fu di verificare la validità dello stesso principio per la luce. Come mai questa estensione dai corpi materiali alla luce? Una delle caratteristiche del principio di equivalenza, per altro già individuata da Galileo Galilei, è che la caduta libera dei corpi materiali in un campo gravitazionale uniforme è indipendente dalla loro composizione chimica e struttura fisica. Questo si può tradurre in un problema di traiettorie: corpi con la stessa massa inerziale percorrono traiettorie simili nello stesso campo gravitazionale indipendentemente dalla loro composizione chimico-fisica. Per essere ancora più precisi, questo significa che la struttura atomica dei corpi non interagisce con il campo gravitazionale e quindi con lo spazio-tempo.

Se sostituiamo i corpi materiali con dei raggi di luce in caduta libera nel campo gravitazionale terrestre che succederà? Pound e Rebka utilizzarono la torre del Jefferson Physical Laboratory dell'Università di Harvard, alta circa 22,5 metri, per studiare l'effetto della differenza del potenziale del campo gravitazionale dalla cime alla base della torre. Sulla torre di Harvard vengono emessi fotoni gamma da elevata energia dal ferro 57 e, utilizzando l'effetto Mössbauer gli stessi fotoni vengono riassorbiti alla base della torre sempre da ferro 57. Un complesso meccanismo di ricezione-assorbimento permette di mettere in evidenza che alla base della torre gli stessi fotoni emessi 22,5 metri più in alto hanno una frequenza leggermente più piccola (red-shift) prodotta da un rallentamento del campo gravitazionale dei raggi luminosi. In questo modo con un red-shift gravitazionale si manifesta il Principio di Equivalenza per i raggi luminosi!

Il risultato finale dà un valore, per il red-shift gravitazionale, di (0,9990 ± 0,0076) volte il valore (previsto dal principio di equivalenza) della differenza di potenziale gravitazionale lungo la torre e la verifica è fatta con una precisione di una parte su 100.000. Questo risultato conferma che la moderna teoria relativistica della gravitazione si basa su di un principio come quello di equivalenza  che ha una straordinaria verifica sperimentale.