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La Gravitazione: Da Aristotele alle Onde
Gravitazionali
MichelePunturoINFNPerugia
• Interazionenucleareforte,che6eneuni6iquarkeinucleoni
• Interazionenuclearedebole,cheentraingioconeidecadimen6radioa<vi
• Interazioneele>romagne6ca,checara>erizzagliatomielemolecole
• Interazionegravitazionale:?M.Punturo-MasterClass2016 2
Aristotele(384-322A.C.)
“Ilmotoversoilbassodiunamassadioroodipiombo,odiqualsiasialtrocorpo,dotatodi
peso,ètantopiùvelocequantomaggiorisonole
suedimensioni”
Ipse Dixit
De>agliodallaScuoladiAtenediRaffaelloSanzio(1509).M.Punturo-MasterClass2016 3
Galileo,agliarres6domiciliariadArcetri(1636,villaGioiello),portòacompimentolasuaoperapiùimportante,“Dialogosopraiduemassimisistemidelmondo”,pubblicatadueannidoponellaci>àprotestantediLeiden:
Aristoteledice“Unapalladiferrodicentolibbre,cadendodall’altezzadicentobraccia,arrivainterraprimacheunadiunalibbrasiascesadiunsolbraccio;iodicoch’ell’arrivanonellostessotempo;voitrovate,nelfarnel’esperienza,chelamaggiorean6cipadueditalaminore,cioèchequandolagrandepercuoteinterra,l’altraneèlontanaduedita:oravorrestedopoquestedueditaappia3arlenovantanovebracciadiAristotele,eparlandosolodelmiominimoerrore,me3erso3osilenziol’altromassimo
GalileodifrontealSant'UffiziodipintodiJoseph-NicolasRobert-Fleury
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1971-Apollo11–ComandanteDavidSco>
M.Pun
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Na6onalPortraitGallery:NPG2881
PhilosophiaeNaturalisPrincipiaMathema<ca(1687),gravitazioneuniversaleleggidelmoto,
meccanicaclassicaprogressodellateoriaeliocentricasistema6zzazionematema6cadelleleggidiKeplerosulmovimentodeipiane6Studiodelleorbiteelli<che,iperbolicheeparaboliche.
HypothesisofLight(Ipotesisullaluce)del1675),sviluppòilcalcoloinfinitesimalestabilìuncambiofissofralasterlinael'onciad'oro,epiùchealtromorìvergine!
EpitaffiodiAlexanderPope:«Lanaturaeleleggidellanaturagiacevanonascostenellano>e;Diodisse:«CheNewtonsia!»,elucefu»
Isaac Newton (1642-1727)
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La gravitazione di Newton
• NelsistemasolarelateoriadiNewtonrappresentaunabuonaapprossimazione.
• Datouncorpodimassam’chesimuoveconvelocitàvintornoadunamassacentralem,l’approssimazionenewtonianaèbuonase:
2rmmGF′⋅−= ( )
rmmGrV′⋅−=
( ) 22
cmGrcmrV >>⇒′<< e cv <<
• Se m è il sole m=MΘ=2·1033g, si ha Gm/c2=1.5km, condizione ovviamente soddisfatta in ogni caso pratico
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LuigiGalvani1737-1798
AlessandroVolta1745-1827
HansChris6anØrsted1777-1851
MichaelFaraday1791-1867
GeorgeOhm1789-1854 JamesClerckMaxwell
1831-1879HeinrichRudolfHertz
1857-1894
XVIII-XIX secolo, i padri dell’elettromagnetismo
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Crisi
+genialitàdiAlbertEinstein=Teoriadella
rela6vitàristre>a
MeccanicaNewtoniana
Ele>romagne6smo
1905-AnnusMirabilis:• Tesidido>orato:“Nuovadeterminazionedelledimensionimolecolari”
• Sviluppisulmoto“Browniano”• “Sull'ele>rodinamicadeicorpiinmovimento”(Rela6vitàRistre>a)
• Effe>oFotoele>rico(PremioNobel)
AlbertEinstein1879-1955
Svolta
E=mc2
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MaallaTeoriadellaRela6vitàRistre>amancalagravitazione.
CarlFriedrichGauss1777-1855
BernhardRiemann1826-1866
1915–LaTeoriadellaRela6vitàGenerale:Lospazio-tempononèpiùpia>oo“cartesiano”maècurvatodallapresenzadellemasse.“Lagravitàèunfa>oregeometrico”
Relatività Generale
Credit:LIGO/T.Pyle
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Geometria curva = Forza?
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F
ArthurEddington1882-1944
1919-Eclissidisole
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1916–OndeGravitazionali
IntegrazioneApprossimatadell’equazionedicampodellagravitazione
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Caricaele>ricaaccelerata
Ondaele>romagne6ca
Massaaccelerata
Ondagravitazionale
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DistanzaTerra-SolevariataperladimensionediunatomoM.Punturo-MasterClass2016 15
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Cosa significa 10-19m?
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mm(10-3m)
mm(10-6m)
nm(10-9m)
pm(10-12m)
fm(10-15m)
am(10-18m)
Humancells(7-30 mm)
Hydrogenatom(0.1 nm)
Protonradius(1 fm)
Quark“size”(1 am)In1kmsizedetector
DLa>esoinVirgo~10-19m
Terrestrial Detectors
GEO, Hannover, 600 m
aLIGO Livingston, 4 km
AdV, Cascina, 3 km
aLIGO Hanford, 4 km
Advanceddetectors2015-2025
~2018~2022
2015
2016
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Dataexchange:aGWDnetwork!
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Principio funzionamento GWD • Ilprincipiobaseèl’interferometrialaser
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14 Settembre, 2015 – 11:50:45 CET
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Numerical relativity waveform predicton for a system with parameters consistent with those recovered from GW150914
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2Buchineriaven6unolamassacirca29volteilnostrosole,l’altro36volte…distan6dallaterra1.3miliardidianniluce…collidevanodopounadanzafrene6ca…ruotandol’unointornoall’altroametàlavelocità
dellaluceM1=29,M2=36→M1+M2=65
Mabuconeroprodo>ohaunamassadi62soli…e3massesolarisonoconver6teinpuraenergia
gravitazionale:E=mc2Nell’ul6mafrazionedellacollisione,lapotenzaemessaèparia100.000miliardidimiliardidisoli
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Una nuova era dell’astrofisica
BigBang
Supernovaexplosion
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END
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