Il modello di gravità ottico potrebbe trasformare la geofisica, l’astrofisica e la cosmologia

Figura 1. Gravità ottica e forza di Hubble. I gravitoni provenienti da parti remote dell’universo perdono slancio a causa degli inviluppi spazio-temporali del gravitone fissati a due masse locali. Le masse vengono quindi spinte insieme per gravità. Negli oggetti densi la gravità è ridotta dalla forza di Hubble. Crediti: Matthew R. Edwards

Un obiettivo di lunga data della fisica è stato quello di collegare la relatività generale con la teoria quantistica e quindi unificare le forze della natura. Le teorie della gravità quantistica, tuttavia, sono afflitte dai deboli fondamenti teorici della fisica quantistica. Ciò ha consentito a ipotesi discutibili, come l’interpretazione dei molti mondi, di acquisire più rispettabilità di quanto forse meritasse. L’enorme divario tra gravità e fisica quantistica non può aver lasciato inalterati altri campi. Il modello Standard (Big Bang) fin dall’inizio ha richiesto una patch correttiva dopo l’altra, mentre in geofisica e astrofisica, problemi importanti come le cause ultime della tettonica a placche e la struttura interna dei buchi neri rimangono irrisolti.

gravità ottica

Propongo che la soluzione a questi problemi provenga dalla relatività generale o, più precisamente, da un suo analogo ottico. È noto da tempo che la deflessione relativistica della luce al passaggio di una massa è matematicamente equivalente alla rifrazione della luce in un mezzo ottico con un gradiente di densità. Questa correlazione è così precisa che è stata utilizzata per esplorare fenomeni come le lenti gravitazionali o, nei modelli a microchip, le fotosfere dei buchi neri. Ciò ha portato a suggerire che il mezzo ottico analogico dello spaziotempo sia in realtà un mezzo fisico reale e che potrebbe spiegare la gravità.

Come potrebbe uno spaziotempo ottico unire la relatività generale, la fisica quantistica e la cosmologia in un tutto coerente? Nella gravità quantistica, l’ipotetica particella scambiata tra le masse è il gravitone. Supponendo che esistano gravitoni, i flussi di gravitoni scambiati tra le masse dell’universo visibile costituirebbero immediatamente un mezzo cosmico. Per renderlo un mezzo ottico basta semplicemente che i gravitoni condividano almeno alcune proprietà con i fotoni oi fotoni virtuali. I gravitoni potrebbero quindi fungere sia da mezzo che da messaggio nella gravità e nella fisica quantistica.

Le particelle sarebbero essenzialmente centri di ritrattamento per gravitoni, combinando più flussi di gravitoni da sorgenti remote in flussi in uscita disposti in modo coerente. I gravitoni trasporterebbero informazioni sulle particelle da cui hanno avuto origine, come la loro velocità, polarizzazione e spin. Per integrarsi con la relatività generale, l’energia all’interno del flusso gravitazionale che collega due particelle deve essere uguale all’energia potenziale gravitazionale reciproca delle particelle.

Il palcoscenico è ora pronto per la gravità ottica. Tutte le onde, inclusi i fotoni e altri gravitoni, vengono rifratte in questo spaziotempo gravitanico. Applicando l’interpretazione di Abraham della quantità di moto ottica, fotoni e gravitoni trasferiscono quindi energia e quantità di moto agli inviluppi dello spaziotempo collegati a ogni massa dell’universo visibile. L’indice cosmico di rifrazione dello spaziotempo può essere calcolato utilizzando l’analogia ottico-meccanica e quindi utilizzato per trovare il tasso di perdita. Si scopre che tutte le onde, inclusi i gravitoni, perdono frazionalmente energia e quantità di moto alla velocità specificata dalla costante di Hubble, H0o circa 2×10–18 sec-uno. Questo ci permette di stimare il coefficiente di assorbimento della materia rispetto ai gravitoni. Da ciò, la forza newtoniana e un valore corretto per la costante gravitazionale G può quindi essere derivato.

Il processo di base è mostrato nella Figura 1. Due gravitoni guno e g2 da sorgenti remote (frecce blu) passano due particelle locali A e B (sfere rosse), ciascuna circondata da gradienti di densità dello spaziotempo (cerchi gialli). gravitone guno passa prima A e trasmette la quantità di moto all’inviluppo dello spaziotempo attorno ad A, facendo sì che A venga spinto verso B. È quindi più debole quando supera B e quindi trasferirà meno quantità di moto a B rispetto ad A. Gravitone g2 al contrario trasferisce più slancio a B che ad A. Il risultato netto è che A e B sono spinti insieme per gravità (grandi frecce bianche).

La Forza Hubble

La gravità ottica potrebbe alterare profondamente la geofisica e l’astrofisica. Nella Figura 1, anche i gravitoni vengono scambiati direttamente tra A e B (barra grigia). Se A e B sono relativamente vicini tra loro, tuttavia, questi gravitoni sono coerentemente sovrapposti alla struttura spazio-temporale locale che incorpora A e B e quindi non provocano una forza repulsiva. Come tutte le onde, tuttavia, perderebbero energia per rifrazione nel mezzo cosmico. Questo dà origine a una piccola forza di repulsione di Hubble, FH (piccole frecce bianche). Per due atomi, questa forza è trascurabile rispetto agli impulsi ricevuti dagli innumerevoli gravitoni remoti e quindi la gravità vince facilmente.

In oggetti densi come pianeti, stelle e buchi neri, tuttavia, le forze di Hubble diventano significative, poiché tali corpi hanno una significativa energia potenziale gravitazionale interna, u. Hanno quindi una luminosità intrinseca di Hubble, data da lH = –Uh0. Ho proposto che i pennacchi del mantello profondo guidati da questa energia trasportino materiale ad alta densità dal confine nucleo-mantello al mantello superiore, dove si ricristallizza a densità inferiori. Ciò potrebbe indurre l’espansione del mantello superiore, la costruzione di montagne e un piccolo aumento annuale del raggio terrestre, come riportato dai geofisici cinesi.

Nelle stelle ultradense, come le nane bianche e le stelle di neutroni, le luminosità di Hubble sembrano corrispondere strettamente alle loro luminosità bolometriche e quindi sostituirebbero i diversi e arcani meccanismi di riscaldamento che sono stati proposti per questi oggetti. Per quanto riguarda i buchi neri, il mio lavoro preliminare indica che questi funzionano essenzialmente come micro-universi separati con la loro costante di Hubble, che è molti ordini di grandezza maggiore di H0. L’energia rilasciata all’interno dei buchi neri dalla luminosità di Hubble sembra essere esattamente sufficiente per impedire loro di collassare in una singolarità.

Lo spaziotempo si espande ma l’universo no

In cosmologia, collegare la costante di Hubble con la gravità ottica sostituirebbe la nozione di un universo che esplode da una particella primordiale. Invece, la continua rielaborazione di fotoni e gravitoni più vecchi e spostati verso il rosso da parte delle particelle in fotoni più nuovi e più energetici consente un universo mobile perpetuo, in cui tutte le entità fisiche vengono continuamente riciclate.

Ma aspetta. Non è la dilatazione del tempo vista nelle supernove di tipo 1A dimostrare che lo spaziotempo si sta espandendo? In effetti lo fa, ma nella gravità ottica, ciò accade perché i gravitoni che compongono un singolo pacchetto di spaziotempo sono essi stessi costantemente spostati verso il rosso a lunghezze d’onda più lunghe. Il pacchetto spaziotemporale si espanderà di conseguenza e anche una matrice di fotoni incorporati al suo interno si espanderà, inducendo la dilatazione temporale osservata.

Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.

Maggiori informazioni:
Matthew R. Edwards, Gravità ottica in uno spaziotempo gravitone, Ottico (2022). DOI: 10.1016/j.ijleo.2022.169059

Matthew Edwards ha lavorato per molti anni presso la Biblioteca dell’Università di Toronto. Studia diversi argomenti teorici, tra cui le origini della vita, la fisica della gravitazione, la geofisica e la cosmologia. Ha curato il libro “Pushing Gravity: New Perspectives on Le Sage’s Theory of Gravitation”.

Citazione: Il modello di gravità ottica potrebbe trasformare la geofisica, l’astrofisica e la cosmologia (2022, 21 giugno) recuperato il 21 giugno 2022 da https://sciencex.com/news/2022-06-optical-gravity-geophysics-astrophysics-cosmology.html

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