La teoria della gravitazione universale di Newton descrive la forza che un massa puntiforme A esercita su una massa puntiforme B situata ad una determinata distanza. Esiste un’analogia evidente con la forza generata da due cariche elettriche anche esse puntiformi.
Tuttavia esiste una differenza sostanziale tra i due esempi: la forza elettrica può essere sia attrattiva che repulsiva, a secondo del segno delle cariche considerate, la forza gravitazionale è soltanto attrattiva.
La legge di Newton però prende in considerazione soltanto masse immobili o che si muovono di moto rettilineo uniforme. Cosa avviene invece in caso di improvvisa variazione di moto rispetto alla forza gravitazionale? Per spiegare questa casistica in passato si scomodò l’esistenza di un fluido impalpabile, che permeava l’intero Universo, chiamato etere luminifero, che aveva la funzione di trasmettere la forza gravitazionale.
Questa ipotesi fu definitivamente superata con la teoria della relatività generale di Einstein che affidava allo spazio vuoto il compito di trasmettere la forza. Alla luce della meccanica quantistica, poi lo stesso concetto di spazio vuoto viene ridefinito, si tratta dello stato minimo di energia possibile percorso dalle fluttuazioni di particelle che appaiono e scompaiono continuamente in un tempo brevissimo .
Prende corpo quindi il concetto di campo ovvero quello di una grandezza esprimibile come funzione della posizione nello spazio e del tempo, o nel caso relativistico nello spaziotempo. L’esempio classico per comprendere questo fenomeno è quello di un telo elastico su cui si poggia la massa A, sorgente della forza. Il telo si incurva sotto la pressione dell’oggetto A e se poniamo un’altra massa B a distanza da A, l’oggetto B tenderà a scivolare nell’avallamento prodotto dalla massa A. Il telo, che simula lo spazio, è il mezzo attraverso il quale si manifesta la forza gravitazionale.
Il concetto di campo va oltre però gli effetti elettrici o gravitazionali. La temperatura di un ambiente, la velocità di scorrimento dell’acqua di un fiume sono tutti campi, relativi però a grandezze fisiche diverse. Nella sostanza ciascun campo è una grandezza fisica che pervade una regione dello spazio.
I campi possono essere scalari, tensoriali o vettoriali, a seconda delle grandezze fisiche prese in considerazione.
Un campo scalare è una funzione che associa uno scalare ad ogni punto di uno spazio. In fisica, ad esempio, un campo scalare viene utilizzato per indicare la distribuzione della temperatura o della pressione atmosferica nello spazio.
Il campo vettoriale invece è quella regione dello spazio dove è possibile definire in ogni suo punto e in modo univoco una grandezza vettoriale. Un esempio di campo vettoriale è la velocità con cui si muovono delle particelle in un fluido in moto.
Possiamo schematizzare graficamente un campo vettoriale attraverso un insieme di curve chiamate linee di campo. La densità delle linee di campo determina l’intensità del campo stesso, più sono fitte più è intenso il campo, più sono diradate maggiore è la debolezza del vettore.
Le linee di campo sono chiamata anche linee di forza anche se tale definizione in alcuni casi può ingenerare un po’ di confusione. In sostanza il concetto di campo ci permette di superare i problemi connessi con le azioni a distanza poichè rende locale l’interazione. In un determinato punto una massa risente di una forza perché in quel punto è presente il campo gravitazionale generato da un’altra massa.
Il concetto di spaziotempo continuo introdotto dalla teoria della relatività generale di Einstein spiega perfettamente i fenomeni dell’Universo che hanno a che fare con la forza gravitazionale su larga scala.
A piccole distanze le cose però si complicano e qui entra in gioco la meccanica quantistica ed i suoi effetti, che per quanto apparentemente bizzarri, sono stati comprovati sperimentalmente innumerevoli volte.
Il tentativo di fondere la relatività generale con la meccanica quantistica è ancora un problema irrisolto della fisica. La scala di Planck è il confine tra l’applicazione delle due più importanti e rivoluzionarie teorie del Ventesimo secolo.
