Antigravità

Rappresentazione artistica di un veicolo antigravità immaginario.

L'antigravità è l'ipotetica possibilità di opporsi direttamente alla gravità, mediante repulsione, schermatura o neutralizzazione della forza gravitazionale. Non va confusa con la sensazione di assenza di peso che si prova in caduta libera o in orbita: in quei casi il corpo continua a muoversi sotto l'azione della gravità, ma non avverte il proprio peso. Non rientrano nell'antigravità neppure i sistemi che compensano il peso con forze note, come la portanza aerodinamica, la spinta propulsiva o l'elettromagnetismo.

Nessuna prova sperimentale pubblicata ha finora dimostrato in modo riproducibile un effetto antigravitazionale. Tra il 1996 e il 2002 il programma Breakthrough Propulsion Physics della NASA esaminò proposte di propulsione basate su fisica non convenzionale; nel bilancio del 2005 le proposte classificate come antigravitazionali risultarono prive di riscontro sperimentale: i test ne riconducevano gli effetti a fenomeni già noti oppure non rivelavano alcuna forza utilizzabile. La collaborazione ALPHA del CERN ha pubblicato nel 2023 la prima misurazione diretta della caduta dell'antidrogeno, mostrando che cade verso la Terra come la materia ordinaria e escludendo così una repulsione gravitazionale tra materia e antimateria.

Nella fantascienza l'antigravità compare a seconda delle opere come forza naturale, tecnologia di trasporto o materiale immaginario; serve soprattutto a rendere plausibili partenze dalla Terra e viaggi spaziali senza ricorrere alla propulsione ordinaria.

Possibilità teorica

Rappresentazione divulgativa della curvatura dello spaziotempo: nella relatività generale la gravità è descritta tramite la geometria dello spaziotempo.

La relatività generale non prevede, per la materia e l'energia note, una repulsione gravitazionale controllabile. Per formulare un'idea di antigravità bisogna ricorrere a ipotesi particolari, come la massa negativa o la violazione delle cosiddette condizioni di energia: vincoli matematici delle equazioni relativistiche che stabiliscono quali distribuzioni di materia ed energia siano fisicamente ammissibili. La gravità non dipende da una carica positiva o negativa paragonabile alla carica elettrica: nelle equazioni relativistiche la curvatura dello spaziotempo è determinata dall'energia, dalla quantità di moto e dalla pressione delle sorgenti di materia e radiazione.

Hermann Bondi analizzò nel 1957 le conseguenze dell'ipotesi di masse gravitazionali negative nelle equazioni di Newton e nella relatività generale: in questo schema una massa negativa sarebbe respinta da una massa positiva e al tempo stesso attirata da essa, producendo un'accelerazione spontanea senza limite (runaway motion), un risultato fisicamente paradossale e tra i motivi principali per cui la massa negativa è considerata problematica.

La possibilità di aggirare la gravità interessò anche il Breakthrough Propulsion Physics Program della NASA, finanziato tra il 1996 e il 2002. Il programma valutò metodi che, se fossero stati realizzabili, avrebbero superato i limiti della propulsione a razzo e delle vele spaziali; nel riepilogo del 2005 i dispositivi presentati come antigravitazionali risultarono tuttavia non promettenti, perché le prove raccolte non indicavano alcuna nuova forza gravitazionale utilizzabile.

L'unico fenomeno fisico osservato che produce un effetto assimilabile a una repulsione gravitazionale su larga scala è la costante cosmologica: le misure della velocità di espansione dell'universo, ricavate dalle supernovae di tipo Ia e confermate dalla struttura su grande scala, indicano un'accelerazione compatibile con l'energia del vuoto o con una componente denominata energia oscura. Questo effetto si manifesta su scale cosmologiche e non offre alcuna via per agire sulla gravità in scala locale; rimane tuttavia l'unico caso osservato in cui una componente del contenuto energetico dell'universo contrasta la contrazione gravitazionale della materia.

Storia

Frontespizio della prima edizione dei Philosophiae Naturalis Principia Mathematica di Isaac Newton, 1687.

L'antigravità come problema fisico emerse solo quando la gravitazione fu descritta in termini matematicamente precisi, abbastanza da poterne immaginare l'annullamento o l'inversione. Nella fisica aristotelica il moto dei corpi era spiegato attraverso la loro natura e il loro "luogo naturale"; tra il XVII e il XVIII secolo, con gli studi di Galileo Galilei, Isaac Newton e Henry Cavendish, la caduta dei gravi, la gravitazione universale e la misura diretta dell'attrazione tra masse in laboratorio divennero fenomeni quantificabili con precisione. Cavendish presentò il proprio esperimento del 1798 come una determinazione della densità media della Terra; nelle ricostruzioni moderne esso è spesso collegato anche alla misura della costante di gravitazione universale.

Con la relatività generale, nel XX secolo, la gravità non fu più descritta soltanto come una forza newtoniana tra masse, ma come curvatura dello spaziotempo prodotta da materia ed energia. Il problema dell'antigravità nasce anche dal confronto con l'elettromagnetismo: già nel XIX secolo James Clerk Maxwell aveva osservato che l'elettromagnetismo possiede cariche di segno opposto, mentre nella gravitazione non si conosce una coppia analoga di cariche attrattive e repulsive. Con la relatività generale e la fisica delle particelle la distinzione si accentuò: in relatività la gravità dipende dall'energia, dalla quantità di moto e dalla pressione, grandezze che non ammettono segno negativo nel senso in cui lo ha la carica elettrica.

L'ipotesi che materia e antimateria potessero respingersi gravitazionalmente nella gravità tensoriale einsteiniana, cioè nella descrizione relativistica in cui il campo gravitazionale è rappresentato da un tensore, risale agli anni cinquanta. L'ipotesi aveva radici anche nella fantascienza. Contro questa forma di antigravità si schierano tre argomenti teorici: la violazione della conservazione dell'energia, la violazione del principio di equivalenza e la previsione di una rigenerazione anomala dei mesoni K_S, mai osservata sperimentalmente.

Gravitazione dell'antimateria

Schema della produzione di antidrogeno mediante antiprotoni e positroni.

Nel 1928 Paul Dirac formulò l'equazione di Dirac, che combinava meccanica quantistica e relatività ristretta per descrivere l'elettrone a velocità prossime a quella della luce. L'equazione descriveva correttamente il comportamento dell'elettrone, ma ammetteva anche una seconda soluzione con energia negativa, la cui interpretazione fisica non era chiara. Nel 1930 Robert Oppenheimer e Hermann Weyl mostrarono, con argomenti distinti, che l'interpretazione originaria di Dirac non era corretta; Dirac propose allora, nel 1931, di leggere quella soluzione come un "anti-elettrone" carico positivamente. La particella prevista, con la stessa massa dell'elettrone e carica elettrica opposta, è il positrone.

Carl David Anderson osservò il positrone in una camera a nebbia nel 1932, fornendo la prima conferma sperimentale di un'antiparticella prevista dalla teoria di Dirac. Nel 1955 il gruppo di Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand e Thomas Ypsilantis annunciò la scoperta dell'antiprotone al Bevatron di Berkeley: la nuova particella risultava identica al protone salvo per la carica elettrica negativa. Con il positrone e l'antiprotone, l'antimateria passò da previsione teorica a realtà sperimentale.

La teoria di Dirac non includeva la gravitazione; unificare la meccanica quantistica con la relatività generale rimane uno dei problemi irrisolti della fisica teorica. Una carica gravitazionale negativa è matematicamente trattabile in modelli teorici, ma nessuna misura diretta ne ha mai confermato l'esistenza. Poiché l'antimateria è estremamente rara nell'universo osservabile, prima delle misure dirette rimase aperta la possibilità che materia e antimateria interagissero gravitazionalmente in modo repulsivo.

Nel 1956 D. C. Peaslee pubblicò su Science una nota teorica sulla non esistenza degli schermi gravitazionali. Due anni dopo Philip Morrison sostenne che una repulsione gravitazionale tra materia e antimateria avrebbe violato la conservazione dell'energia nel campo gravitazionale terrestre; nel 1959 Leonard I. Schiff mostrò, nel quadro della teoria quantistica dei campi, che una tale repulsione avrebbe violato l'equivalenza tra massa inerziale e massa gravitazionale. Nel 1961 Myron L. Good mostrò che una repulsione gravitazionale dell'antimateria avrebbe perturbato in modo misurabile il comportamento dei mesoni K neutri — particelle che oscillano tra stati di materia e antimateria — perturbazione che gli esperimenti non hanno mai rilevato. Malgrado le obiezioni teoriche, alcune proposte collegate a scenari cosmologici non standard continuarono ad ammettere una repulsione gravitazionale tra materia e antimateria; nel 2011 Massimo Villata presentò su EPL un modello fondato sulla simmetria CPT, nel quale la repulsione materia-antimateria derivava dalle ipotesi della teoria; la proposta, rimasta esterna al consenso della comunità fisica, non modifica le obiezioni teoriche già note.

Esperimenti

Esperimento mentale usato per illustrare il principio di equivalenza, alla base dei test gravitazionali su materia e antimateria.

Misurare direttamente la gravità su particelle di antimateria è difficile, perché le forze elettriche possono prevalere su quella gravitazionale. Per la materia ordinaria, al contrario, l'equivalenza tra massa inerziale e massa gravitazionale è stata verificata con grande precisione: la missione MICROSCOPE ha confrontato le accelerazioni di due masse di prova in leghe di titanio e platino, collocate su un satellite progettato per compensare le perturbazioni non gravitazionali, verificando il principio di equivalenza debole con una precisione di circa 10⁻¹⁵ nel parametro di Eötvös, un indice adimensionale che misura la differenza relativa nell'accelerazione delle due masse di prova. Un esperimento analogo non può essere trasferito agli atomi di antidrogeno, perché per produrli servono antiprotoni e positroni, mentre le misure su particelle cariche di antimateria sono disturbate dalle forze elettromagnetiche.

L'esperimento ALPHA produce atomi di antidrogeno combinando antiprotoni prodotti e rallentati negli apparati AD ed ELENA dell'Antimatter Factory del CERN, con positroni accumulati da una sorgente di sodio-22. La produzione stessa dell'antidrogeno rende impraticabile un esperimento satellitare a due masse analogo a MICROSCOPE. Nel 2023 la collaborazione ALPHA ha pubblicato su Nature i primi risultati dell'apparato ALPHA-g, una trappola verticale costruita per studiare la gravitazione dell'antidrogeno: gli atomi venivano raccolti nella trappola, fatti uscire lentamente aprendo le barriere superiore e inferiore, quindi contati attraverso le annichilazioni prodotte nella parte alta o bassa dell'apparato. Entro la precisione dell'esperimento, il moto dell'antidrogeno è risultato compatibile con un'accelerazione attrattiva verso la Terra; il valore che meglio descriveva i dati per l'accelerazione locale dell'antimateria è stato pari a 0,75 ± 0,13 (statistico e sistematico) ± 0,16 (simulazione) g.

Rivendicazioni sperimentali non confermate

Un lifter elettroidrodinamico: la spinta deriva dal movimento dell'aria ionizzata, senza implicare antigravità.

Nel corso del Novecento furono proposti molti dispositivi descritti come antigravitazionali; nessuno è stato riconosciuto dalla comunità scientifica come prova di una nuova forza gravitazionale. Le verifiche hanno ricondotto gli effetti a fenomeni già noti, ad artefatti strumentali o a errori di misura; in altri casi non hanno rilevato alcuna forza. Tajmar, Kößling e Neunzig, in un lavoro del 2024 condotto in alto vuoto su condensatori, solenoidi, correnti di tunneling e campi incrociati, non hanno rilevato forze o coppie anomale fino all'ordine dei nanonewton e dei nanonewton-metro.

Thomas Townsend Brown sviluppò negli anni venti dispositivi ad alta tensione e condensatori asimmetrici, chiamando "gravitatore" un proprio apparato e interpretando le proprie misure come effetti antigravitazionali. Il fenomeno, poi noto come effetto Biefeld-Brown, fu collegato da Brown a un'ipotetica "elettrogravitica"; una valutazione commissionata dall'Office of Naval Research nel 1952 attribuì però gli effetti documentati all'ionizzazione del dielettrico e al vento ionico, il flusso di particelle cariche che trascina con sé l'aria circostante. Esperimenti successivi conclusero che la spinta osservata nei condensatori asimmetrici derivava dal vento ionico o di corona, non da un effetto antigravitazionale. Articoli e libri non specialistici associarono in seguito l'elettrogravitica a presunti UFO o al bombardiere B-2, senza fornire prove sperimentali di antigravità.

Nel 1948 l'imprenditore Roger Babson, fondatore del Babson College, creò la Gravity Research Foundation per promuovere ricerche sulla gravità e sulla possibilità di controllarne gli effetti. Nei primi anni la fondazione sostenne lo studio di possibili riduzioni o schermature della gravità; in seguito orientò il proprio premio verso saggi teorici sulla gravitazione. Tra i vincitori figurano George F. Smoot, premiato dalla fondazione nel 1993 e poi insignito del premio Nobel per la fisica nel 2006; vi è anche Gerard 't Hooft, vincitore del concorso nel 2015 e del Nobel per la fisica nel 1999.

Anche sistemi basati su masse oscillanti, giroscopi o rotori sono stati più volte presentati come antigravitazionali. Le spinte nette apparenti possono però dipendere da attrito asimmetrico nei supporti, da vibrazioni meccaniche, dalla precessione dell'asse di rotazione o dall'errata interpretazione di un momento torcente come forza di traslazione. Henry Wallace depositò tra il 1968 e il 1974 brevetti su dispositivi rotanti che avrebbero generato un "campo cinemassico", cioè un presunto campo gravitazionale secondario prodotto dalla rotazione rapida di certi materiali; una replica sperimentale pubblicata nel 2015 ricondusse l'anomalia osservata a un artefatto di vibrazione. La diminuzione di peso lungo l'asse di un giroscopio in rotazione destrorsa (in senso orario vista dall'alto), riferita nel 1989 da Hideo Hayasaka e Sakae Takeuchi, non fu confermata da test successivi, che diedero risultati nulli o individuarono le fonti degli errori di misura.

Nel settore dei superconduttori, Eugene Podkletnov e R. Nieminen pubblicarono nel 1992 un articolo sulla possibile schermatura della forza gravitazionale mediante un blocco ceramico superconduttore di YBa₂Cu₃O_7−x; Podkletnov sostenne poi di avere osservato perdite di peso in campioni collocati sopra un disco superconduttore in levitazione e rotazione. I tentativi successivi non confermarono le rivendicazioni di Podkletnov. In uno studio statico su superconduttori YBCO, per esempio, le variazioni di accelerazione misurate risultarono inferiori a 2 parti su 10⁸ dell'accelerazione gravitazionale normale. Douglas G. Torr e Ning Li proposero tra il 1991 e il 1993 che campi magnetici variabili nel tempo potessero indurre nei superconduttori campi gravitomagnetici o gravitoelettrici rilevabili; le dichiarazioni successive su un presunto prototipo di "AC Gravity" e su un "generatore di gravità" universitario non furono mai accompagnate da risultati riproducibili pubblicamente verificabili.

L'Institute for Gravity Research della GÖDE-Stiftung ha cercato di riprodurre diversi esperimenti presentati come effetti di "antigravità", senza rilevare alcun effetto gravitazionale anomalo. Dal 2004 la GÖDE-Stiftung assegna il GÖDE-Award for Gravitational Research e offre un premio di 1.000.000 di euro per una dimostrazione in cui un oggetto di almeno 20 g resti sospeso per almeno un minuto a circa 10 cm da un supporto; sono esclusi fenomeni noti come la levitazione magnetica o la spinta di galleggiamento.

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  Monumento a New Boston dedicato alle ricerche promosse da Roger Babson su antigravità e isolanti gravitazionali parziali.
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  Disegno tratto dal brevetto statunitense 3.626.605 di Henry Wallace per un presunto generatore di "campo cinemassico".
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  Levitazione magnetica di un magnete sopra un superconduttore raffreddato: un fenomeno elettromagnetico, distinto dalla schermatura gravitazionale.

Nella fantascienza

Copertina del numero di maggio 1916 di Electrical Experimenter, con un immaginario "raggio antigravità".

Incisione del 1657 relativa al viaggio lunare immaginato da Cyrano de Bergerac.

L'antigravità è un motivo frequente nella fantascienza, perché permette di immaginare partenze dalla Terra e viaggi spaziali senza descrivere l'enorme energia richiesta per sfuggire al campo gravitazionale terrestre. Tra le opere precorritrici della fantascienza, The Man in the Moone di Francis Godwin, pubblicato postumo nel 1638, presenta una pietra chiamata "ebelus" capace di aumentare o ridurre l'effetto della gravità. In A Voyage to the Moon di George Tucker, pubblicato nel 1827 sotto lo pseudonimo di Joseph Atterley, il viaggio avviene invece su un'astronave rivestita del metallo antigravitazionale "lunarium"; il romanzo è tra i primi a trattare il viaggio lunare con una spiegazione pseudoscientifica, anziché soprannaturale. Tra i viaggi lunari immaginari dell'età moderna rientra anche L'altro mondo ovvero Stati e imperi della Luna di Savinien Cyrano de Bergerac, pubblicato postumo nel 1657; nell'episodio iniziale il narratore lega attorno a sé numerose ampolle piene di rugiada e viene sollevato dal calore del Sole, che attrae la rugiada come farebbe con le nubi.

Nel romanzo Across the Zodiac (1880) di Percy Greg, il protagonista raggiunge Marte su un'astronave mossa da apergy, una forza antigravitazionale immaginaria; il termine, coniato da Greg, fu ripreso da John Jacob Astor IV in A Journey in Other Worlds (1894), dove rende possibile un viaggio nel sistema solare ambientato nell'anno 2000. Lo scrittore italiano Ulisse Grifoni immaginò invece, in Dalla Terra alle stelle. Viaggio meraviglioso di due italiani ed un francese (1887; 2ª ed. 1890), una vernice capace di annullare la gravità: grazie a essa viene costruita una nave spaziale che compie viaggi di prova sull'Africa e parte verso Marte. Il romanzo appartiene alla prima fantascienza italiana e precede la produzione italiana più nota del primo Novecento.

Tra le invenzioni antigravitazionali più influenti della fantascienza vi è la cavorite di H. G. Wells ne I primi uomini sulla Luna (1901). La sostanza inventata dal professor Cavor scherma la gravità; mediante schermi mobili, Cavor e Bedford possono così governare una sfera spaziale diretta verso la Luna. L'opera, tra i principali romanzi scientifici wellsiani, usa la cavorite non solo come mezzo di trasporto, ma anche per introdurre la società sotterranea dei seleniti, organizzata in caste e funzioni specializzate.

Nel Novecento l'antigravità divenne spesso una tecnologia abituale dell'immaginario spaziale, più che una sostanza miracolosa. La serie delle Città volanti di James Blish elaborò il tema attraverso gli "spindizzy", dispositivi che permettono a intere città di staccarsi dalla Terra e attraversare la galassia a velocità superluminali. Blish giustificò gli spindizzy con un presunto "effetto Blackett-Dirac", per cui la rotazione di un corpo avrebbe generato o annullato un campo gravitazionale: una pseudoscienza interna alla narrativa, rimasta uno degli esempi più citati del genere.

Altri esempi novecenteschi comprendono il dispositivo di volo usato ne L'Allodola dello spazio (The Skylark of Space) di E. E. Smith, il "paracadute ingravity" in Non-A (1948) di A. E. van Vogt, i racconti Noise Level di Raymond F. Jones e Mother of Invention di Tom Godwin, la "gyrogravitics" di Poul Anderson in Le montagne volanti (Tales of the Flying Mountains) e il comportamento simile alla cavorite nel romanzo The Quy Effect di Arthur Sellings. Spesso l'antigravità non riceve una spiegazione tecnica: è trattata come una dotazione normale del volo spaziale futuro, per esempio negli "antigravs" menzionati in Missione su Jaimec (Wasp) di Eric Frank Russell. Materiali e oggetti più vicini all'avventura fantastica e popolare svolgono una funzione analoga, come l'"Nth metal" della continuità DC Comics, la "flubber" del film Un professore fra le nuvole (1961) e la pietra rossa al centro di Antigrav di Nicholas Fisk.

La striscia a fumetti Garth, creata per il Daily Mirror da Steve Dowling e Gordon Boshell e apparsa per la prima volta il 24 luglio 1943, ha per protagonista un avventuriero fantastico che si muove tra epoche e situazioni diverse. In una striscia di Martin Asbury presentata al Quinzième Salon de la Caricature di Montréal compare un "deflettore dell'antigravità", il cui segreto è conteso in una missione di recupero.

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  Frontespizio e antiporta della prima edizione di The Man in the Moone di Francis Godwin, 1638.
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  Illustrazione di Claude Allin Shepperson dalla prima edizione britannica di I primi uomini sulla Luna di H. G. Wells, pubblicata da George Newnes nel 1901.
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  Frontespizio dell'edizione in due volumi di Dalla Terra alle stelle di Ulisse Grifoni, con illustrazioni di Enrico Mazzanti, 1890.

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Voci correlate

• Burkhard Heim
• Campo gravitazionale
• Costante cosmologica
• Effetto Casimir
• Energia oscura
• Interazione gravitazionale dell'antimateria
• Levitazione
• Levitazione magnetica
• Massa negativa
• Materia esotica
• Onda gravitazionale
• Raggio traente

Altri progetti

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• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su antigravità

Collegamenti esterni

• anti-gravità, in Dizionario delle scienze fisiche, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 1996.
• (EN) Antigravità, su The Encyclopedia of Science Fiction.
• (EN) ALPHA experiment at CERN observes the influence of gravity on antimatter, su home.cern, CERN, 27 settembre 2023.
• (EN) Antigravity, su sf-encyclopedia.com, The Encyclopedia of Science Fiction.

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