Categorie: Fisica classica Meccanica quantistica
Tags: campi di forze campo elettromagnetico campo gravitazionale fotone gravitone quanto
Scritto da: Vincenzo Zappalà
Commenti:18
Gravitoni e fotoni: quale differenza? **
Questo articolo è una delle tante "ciliegine cosmiche" che potete gustare QUI
Per capire in modo molto rudimentale cosa siano effettivamente i tanto ricercati gravitoni (per adesso ancora soltanto ipotizzati) basta, in fondo, fare un paragone con i fotoni. Una piccola ciliegina estiva...
Partiamo dal modo più moderno di caratterizzare le forze... esse si riferiscono a campi. I campi non si muovono, non trasmettono, esistono soltanto. Così sono il campo elettromagnetico e quello gravitazionale.
Essi se ne starebbero tranquilli senza colpo ferire. Tuttavia, il campo elettrico è generato da una carica elettrica, così come il campo gravitazionale da una massa. Solo un movimento di queste sorgenti possono causare un trasferimento di informazione. Il movimento di un elettrone o, meglio, una sua accelerazione causa un "disturbo" nel campo (chiamiamolo anche con un po' di cautela "quanto") che si propaga attraverso onde elettromagnetiche, trasportando energia. Il messaggero è il fotone. Se la "vibrazione" è abbastanza rapida quando l'onda incontra i nostri occhi può anche essere "vista" e viene chiamata luce.
Ciò che capita in un campo gravitazionale è del tutto simile. In questo caso, però, i movimenti e le accelerazioni vengono eseguiti dalle masse. Esse causano un'onda che trasporta energia, ossia l'onda gravitazionale. La differenza fondamentale è che il campo gravitazionale è estremamente più debole di quello elettromagnetico. Ne segue che le accelerazioni e/o le masse coinvolte devono essere molto grandi per essere rilevate (fusione di buchi neri, di stelle di neutroni e cose simili... almeno per adesso). I messaggeri di questo trasporto di informazione sarebbero i gravitoni, cugini stretti dei fotoni e capaci di muoversi alla stessa velocità.
Resta il fatto che, se la massa non si agita, il campo gravitazionale non invia messaggeri, così come non lo fa una carica elettrica in quiete assoluta.
Chi è interessato, può anche vedere questo breve, ma chiaro, video che cade a proposito...
QUI la spiegazione del gravitone Nexus fornitaci dall'autore Stuart Marongwe
18 commenti
Non sembra facile, caro Enzo, scoprerire ilo Gravitone, sempre che esista, così come è stato difficile rilevare le onde gravitazionali. Grandi masse forze e particelle sfuggenti, piccole masse le cose cambiano. La meraviglia dell'Universo.
Salve, buonasera,
intervengo nella discussione per confessare alcune mie perplessità dovute a mera impreparazione: Ok le onde gravitazionali, ma perché il gravitone? Perché un campo "deve" avere per forza la sua particella/quanto? Ce né bisogno? Ma soprattutto, cosa farebbe?
Gran confusione (mia), spero di non essere inopportuno.
caro Agapito,
si cerca una particella/quanto per riuscire a unificare tutte le interazioni sotto un unico modello, quello quantistico. D'altra parte sappiamo che le onde non sono altro che disturbi del campo che trasportano le informazioni con modalità e intensità diverse. Perché mai l'interazione gravitazionale, a cui sono sicuramente associate "onde", ossia disturbi, non dovrebbe comportarsi come le altre tre? LaRG descrive perfettamente, ma non si lega con le altre. Questo è il grande problema che assillava Einstein, ma che ancora nessuno è riuscito a formulare in modo omogeneo. In altra parole, l'idea è di unificare tutte le 4 interazioni.
Egregio Vincenzo,
questo lo avevo intuito, ma la domanda chiave era "Ma soprattutto, cosa farebbe?"
Spiego meglio la mia confusione (mi manca/ignoro sicuramente qualcosa):
quando leggo, ad esempio (su wikipedia, ma anche da altre parti), che il gravitone sarebbe un'ipotetica particella elementare responsabile della trasmissione della forza di gravità, per la precisione un bosone di gauge; ovvero, in base alle teorie di gauge, che la forza di gravità si eserciterebbe mediante lo scambio di particelle, i gravitoni, con tutte le loro caratteristiche tipiche di particelle/quanti: carica (nulla), spin (2), massa (nulla) che significherebbe anche velocità quella della luce,
la domanda che sorge spontanea ad un "parvenu" della fisica come me:
in che modo un buco nero riuscirebbe, allora, a interagire gravitazionalmente con ciò che sta fuori dell'orizzonte degli eventi scambiandosi una particella che viaggia alla velocità della luce?
Mi manca qualcosa; lo so; cosa?
Sperando di non far ridere con questa sciocca domanda, un cordiale saluto,
Agapito
caro Agapito,
il campo gravitazionale di un buco nero esiste e non perché il buco nero invia qualcosa (analogamente al campo elettrico). Nascono le particelle -messaggere quando si disturba il campo, ossia vi è una certa massa che accelera. E' come se buttassimo un sasso nell'acqua e solo allora si sviluppano le onde che derivano dal disturbo causato. Nasce un fotone solo quando un elettrone accelera, ossia deforma il campo elettrico. Parimenti, lanciando un sasso non vi è uno spostamento dell'acqua, ma l'informazione viene propagata attraverso un'onda che in fisica quantistica è associata a una certa particella-quanto di energia.
Caro Vincenzo, sono tonto, ancora non afferro: che il campo gravitazionale di un buco nero esista, per carità, lungi da me pensare che non esista e che che il buco nero invii qualcosa, idem; l'analogia con il campo elettrico vale fino a un certo punto, almeno fino a quando non si dimostri che tutti e due abbiano un orizzonte degli eventi; che quando ci sia una perturbazione in un campo questa informazione si propaghi sotto forma di onda alla velocità della luce ok; ma la metafora/analogia del sasso nello stagno non mi aiuta a capire/visualizzare la particella/quanto/gravitone: sul fotone niente da dire, ma se un elettrone, un protone, una stella nei pressi di un orizzonte degli eventi accelera .... "esce" il gravitone e che fa? dove nasce? dove va? che significa interazione/scambio di particelle? fra chi e cosa?
Sembra che voglia far polemica, ma non è così (cioè, si capisce che non credo nell'esistenza del gravitone in particolare e più in generale che sono un po' scettico sul fatto che si riesca a formulare una valida teoria di gravità quantistica, ma è solo una sensazione, una questione di pelle, sono un ignorante e mi si deve concedere di avere sensazioni): è che quando si afferma che la gravità si eserciterebbe con scambio di particelle/quanti/onde (quantistiche o meno che siano) non riesco a togliermi dalla mente il pensiero di cosa succeda in presenza di un orizzonte degli eventi, e sottolineo orizzonte degli eventi.
con profondo rispetto, il tonto
Non riesco a mettere insieme due affermazioni che prese separatamente credo siano considerate vere:
Ma l'interazione elettrica esiste anche per cariche statiche o elettromagnetica per cariche in moto rettilineo uniforme. La seconda affermazione farebbe pensare che un qualche tipo di fotoni venga generato anche da cariche statiche o in moto rettilineo uniforme.
non so più che dire ad Agapito... orizzonte oppure no, il buco nero è una massa che genera un campo gravitazionale nello stesso modo di una stella di neutroni o di un pianeta. Che poi la struttura del campo porti a una curvatura infinita dello spaziotempo, poco importa (da un certo punto di vista) al suo campo gravitazionale che è quello che è.
Riguardo all'interazione elettromagnetica oppure gravitazionale, è sempre necessaria un'accelerazione che nasce comunque per come è strutturato il campo.
La presenza di cariche elettriche di segno positivo o negativo genera un campo elettrico che attrae le cariche di segno opposto e respinge le cariche di segno uguale. Perché ci sia trasmissione di informazione deve intervenire un'altra particella nel campo... Senza un " disturbo" oscillazione o ciò che si vuole i messaggeri non servono...
Comunque, guardate cosa dice l'INFN sul gravitone. Si spiegherà certo meglio di me...
https://scienzapertutti.infn.it/chiedi-allesperto/tutte-le-risposte/1578-0335-che-cosa-sono-i-gravitoni
ribadisco ancora un concetto che spero possa essere utile:
I fotoni sono emessi in molti processi naturali, come durante l'accelerazione di una particella carica, la transizione di un atomo ad un livello di energia inferiore o l'annichilazione di una particella con la rispettiva antiparticella. Non è la carica elettrica che crea un fotone, ma un intruso che entra nel campo o un movimento della stessa carica.
Idem per il campo gravitazionale (almeno così si pensa, ma non si hanno prove se non le onde gravitazionali che però non hanno ancora permesso di individuare i loro messaggeri). Non vedo proprio perché l'esistenza di un orizzonte degli eventi crei tanti problemi. Quel limite è una caratteristica della geometria dello spaziotempo che descrive il campo. Ricordiamo che il campo è un'entità che esprime una grandezza come funzione della posizione nello spazio e del tempo, o, nel caso relativistico, dello spaziotempo.
Il mare è un campo invisibile se non ha interazioni con oggetti esterni. Se butto una pietra o infilo un dito dentro di lui creo un disturbo e mi rendo conto che esiste. Mi ha trasmesso un0informazione. Di giorno ,lo vedo perché le particelle che giungono dallo spazio interagiscono e creano messaggeri...
Sono similitudini tirate per i capelli, ma non so fare di più...
Forse può essere utile pensare alla Terra e al Sole. Immaginiamo di fare sparire improvvisamente il Sole. Se non fosse necessario nessun messaggero per trasportare l'informazione, la sparizione del campo solare dovrebbe immediatamente lasciare la Terra libera di proseguire con moto rettilineo uniforme. Invece, la Terra deve aspettare 8 secondi per avere l'informazione della sparizione del Sole. Un cambiamento del campo (sparizione del Sole) necessita che qualcosa faccia sapere alla Terra che il Sole è sparito... Ciò è valido indipendentemente dall'orizzonte degli eventi del Sole che, ricordiamoci, ESISTE sempre e comunque. Solo quando la massa è compresa dentro l'orizzonte, il campo presenta caratteristiche peculiari.
Ciao Enzo, credevi di esserti liberato di me? Allora...non riesco a spiegarmi: sarò più preciso.
Tutto quello che dici l'ho capito, lo sapevo già, anzi, ci credo pure!, ma se prendiamo in considerazione l'orizzonte degli eventi c'è qualcosa che non quadra, a me, che ho informazioni parziali.
Perché tirare in ballo l'orizzonte degli eventi? Perché se tu (ma anche wikipedia) tiri in ballo l'analogia con il fotone (che ci può stare, anzi, capisco pure perché) l'orizzonte degli eventi deve "uscire fuori"! Per colpa del fotone, non del gravitone: se il fotone non riesce a sfuggire da un buco nero, non dovrebbe farlo neanche il gravitone (chè anche lui andrebbe alla velocità della luce); ad un appassionato come me con conoscenze parziali non può non venire in mente il pensiero: "così come non esce la luce non dovrebbe uscire neanche la gravità!" (N.B.: non è questo quello che penso, lo dico in maniera grossolana).
Da wikipedia (e non solo): "il movimento di un corpo produrrebbe un segnale di informazione che impiega un tempo rapidissimo, ma comunque non nullo, per arrivare all'altra massa interagente ...e adeguare la forza di gravità alla nuova distanza fra i due corpi".
Aggiungo che, in più di un'occasione in alcuni programmi di divulgazione tv, ho visto fare l'esempio di come funzionerebbero le interazioni di forze con particelle quantistiche usando due persone che si scambiavano una palla (la particella), riducendo l'interazione a uno scambio di quantità di moto fra le due persone.
Con queste informazioni nella testa, una persona come me a digiuno della giusta matematica, come può essere rimproverata se pensa: "prendiamo due corpi, uno all'interno e uno all'esterno dell'orizzonte degli eventi, come fanno a scambiarsi il gravitone?
Orbene, quello che dici tu (dal mio punto di vista) sembra funzionare (a me) se il corpo a spostarsi/accelerare in questione è tutto il buco nero (nel senso che tutta la massa va considerata "distribuita" all'interno dell'orizzonte degli eventi), perché, se viceversa l'orizzonte degli eventi è solo un limite geometrico all'interno del quale ad un certo punto (dopo un po' di spazio) c'è qualcosa di massivo (una palla superdensa più piccola dell'orizzonte degli eventi? peggio ancora, tutta la massa concentrata in una singolarità distante dall'orizzonte degli eventi?) come fa la sua informazione gravitazionale, il gravitone, a percorrere quello spazio che lo separa dall'orizzonte degli eventi ed uscire? Ho reso l'idea dell'immaginario che mi frulla per la testa?
La domanda è ingenua, non scema; è frutto di quel poco che ho appreso/travisato, non sto elucubrando una mia teoria personale; sicuramente le mie idee sono poche, ma confuse; mettermela sul piano della semplice analogia formale matematica non mi aiuta.
Quindi il gravitone trasmetterebbe accelerazione alle particelle che attraversano il campo gravitazionale , fotoni compresi, in direzione del centro di massa del corpo che ha generato il campo stesso. Oppure il gravitone, invece, interagirebbe con la struttura fine dello spazio (granuli di spazio) modificandone la posizione e determinandone così la geometria, ossia la curvatura, in accordo con Einstein. Perdonatemi le semplificazioni.
direi di no... l'accelerazione delle masse genererebbe le particelle (chiamiamole così) capaci di trasmettere l'informazione. Pensa all'unione di due buchi neri. L'accelerazione del sistema genera una deformazione dello spaziotempo, ossia genera una particella (gravitone) che trasmette questa informazione che, giungendo a un rilevatore, indica e permette di misurare la perturbazione avvenuta nel campo gravitazionale. Tuttavia, resta il fatto che nessuno ha ancora rilevato questa particella, ma ha solo misurato, con un ritardo pari a quello della luce, una deformazione spaziotemporale causata da una o più masse accelerate. C'è o non c'è bisogno di un messaggero? Einstein non si pone realmente il problema (o, almeno, non è riuscito a risolverlo), mentre la MQ cerca di inserire anche questa interazione nell'ambito delle altre tre.
Mi perdoni Professore, ma continuo a non capire, se il campo gravitazionale perturba la geometria dello spazio, è corretto dire che il gravitone interagisce solo con lo spaziotempo e non con le particelle?
il gravitone è come il fotone... viene creato e manda un segnale che intercetta la materia. Il gravitone è un segnale analogo che intercetta la materia anche solo facendole sapere che lo spaziotempo si è deformato. Consideriamolo, come il fotone, sono un ipotetico messaggero di informazione. Ritorno al Sole che sparisce. Per farcelo sapere, la deformazione relativa dello spaziotempo invia un segnale che trasmette l'informazione all'oggetto Terra, comunicandole la deformazione avvenuta e permetterle di adeguarsi. Sono, comunque, sempre visioni semplificate e come tali imperfette. Bisognerebbe inquadrale nel modo giusto nella teoria quantistica dei campi. Ciò è riuscito per tre interazioni, ma non ancora per la quarta.
caro Agapito,
ma perché mai l'informazione dovrebbe uscire dal buco nero? L'informazione nasce a seguito della deformazione del campo gravitazionale, così come quella elettrica.
Caro Vincenzo, ma questo lo so e sono d'accordo: l'informazione non è affatto in discussione, così come il fatto che non esce dal buco nero se sotto forma di particella. Ma se mi viene detto (non lo penso io!) che questa particella venga interscambiata fra i due masse che interagiscono (wikipedia), come il fotone, la cosa non mi torna; è l'interazione che non mi torna. Si parla di masse interagenti: in presenza di un orizzonte degli eventi l'interazione è fra la singolarità e una massa che sta fuori dal buco nero? Queste sono le due masse, che interagirebbero scambiandosi la particella. O no? E se no, quali sarebbero le masse?
P.S.: e con questo la chiudo qui: puoi anche rispondere, non controrisponderò. Il rischio è di diventare stucchevoli e tu hai già avuto tanta pazienza, e per questo ti ringrazio. Mi accontento di non capire. Probabilmente non mastico la giusta matematica.
(mi rifarò vivo quando affronterai altre questioni, tipo inflazione, singolarità, materia oscura, con me ci sta da divertirsi, questo è il mio spirito)
Provo ancora così, ma siamo sempre in una visione ultra semplicistica. Il fotone non esce dall'elettrone, ma dalla sua oscillazione o accelerazione che causa l'onda elettromagnetica. Allo stesso modo il gravitone nasce quando si forma un'onda gravitazionale, ma NON esce dal buco nero.