Linterazione gravitazionale (o gravitazione o gravità nel linguaggio comune) è una delle quattro interazioni fondamentali note in fisica.
Nella fisica classica newtoniana, la gravità è interpretata come una forza conservativa di attrazione a distanza agente fra corpi dotati di massa, secondo la legge di gravitazione universale. La sua manifestazione più evidente nell'esperienza quotidiana è la forza peso.
Nella fisica moderna, l'attuale teoria più completa, la relatività generale, interpreta l'interazione gravitazionale come una conseguenza della curvatura dello spaziotempo creata dalla presenza di corpi dotati di massa o energia. Una piccola massa a grande velocità o una grande massa in quiete hanno lo stesso effetto sulla curvatura dello spaziotempo circostante. Il campo gravitazionale che ne deriva è rappresentato matematicamente da un tensore metrico, legato alla curvatura dello spaziotempo attraverso il tensore di Riemann. In questo ambito la forza peso, in particolare quella usuale che sperimentiamo in prossimità della superficie terrestre, è una forza apparente, conseguenza della geometria dello spaziotempo indotta dalla massa della Terra.
Storia
Le prime spiegazioni di una forza agente capace di aggregare i corpi vennero formulate, nella filosofia greca, all'interno di una visione animistica della natura, che quindi non richiedeva un agente meccanico come sua causa.Giacomo De Angelis, Il concetto di forza, in L'universo testuale della scienza, pp. 40-46, "Atti dello Alexander von Humboldt", Kolleg, Pisa 23-25, Ottobre 2009. Ad Anassimandro (VI secolo a.C.), sulla base di un suo frammento in cui parla del mondo come di un disco sospeso nello spazio, gli viene attribuita la tesi che non esista un "alto" e un "basso" assoluti, ma che questi siano relativi.Si tratterebbe di un passo fondamentale, benché controintuitivo, alla comprensione della natura della gravità secondo Nella dottrina di Empedocle domina l'alternanza di due princìpi, Amore e Odio, mentre in quella di Anassagora prevale l'azione ordinatrice di una Mente suprema (Nous). Platone riteneva che la materia fosse pervasa da una dynamis, cioè un'energia intrinseca, che spinge il simile ad attrarre il simile.
Tale concezione fu ripresa da Aristotele, per il quale tutto l'universo anela alla perfezione del primo motore immobile (Dio). Questo anelito si esprime nel movimento circolare di stelle, Sole, Luna e pianeti, giungendo tuttavia a corrompersi progressivamente fino a diventare rettilineo nella dimensione terrestre sublunare. Soltanto in quest'ambito, dunque, alcuni corpi, quelli che Platone e Aristotele chiamavano gravi, risultano soggetti alla gravità: si trattava di composti dei quattro elementi fondamentali (fuoco, aria, acqua, terra), mentre l'etere fluttuava al di sopra di essi. Secondo la teoria aristotelica dei luoghi naturali, tutto ciò che è terra tende a ritornare lì dove risiede la terra, ovvero al centro dell'universo; al di sopra vi è la sfera dell'acqua che attrae tutto ciò che è liquido; analogamente si comportano i cerchi dell'aria e del fuoco.
Come i suoi contemporanei, Aristotele interpretava la fisica dell'universo deducendola dalla fisiologia umana, sostenendo ad esempio che oggetti di peso diverso cadessero a velocità diverse, in analogia all'esperienza dell'uomo che tenti di contrastare il peso di un sasso,«Ai tempi del filosofo greco non era minimamente possibile percepire un sasso che cade come qualcosa di completamente esterno all'uomo. L'esperienza era a quei tempi tale per cui l'uomo sentiva interiormente come doveva lui stesso sforzarsi e spronarsi per muoversi alla stessa velocità del sasso che cadeva — in opposizione all'attrazione passiva esercitata dalla gravità dal di fuori» (Pietro Archiati, Dalla mia vita, pag. 28, Verlag, 2002). adottando così una prospettiva che, seppur contraddetta nel VI secolo d.C. da Giovanni Filopono, continuerà a essere insegnata fino all'epoca di Galileo.
Movimenti innaturali di un corpo sono certamente possibili ma richiedono una forza, cessando la quale esso tende a tornare al proprio luogo naturale.Ivi, VIII, 4 Per spiegare i movimenti irregolari di alcuni astri (come le retrogradazioni planetarie), egli adottò il sistema delle sfere omocentriche di Eudosso di Cnido, da intendere però come sfere immateriali.Giovanni Virginio Schiaparelli, Le sfere omocentriche di Eudosso, di Callippo e di Aristotele, Hoepli, 1875.
Età ellenistica Con lo stoicismo, lo studio della gravità portò a scoprire una relazione tra il moto delle maree e i movimenti del Sole e della Luna: l'universo è infatti concepito dagli stoici come un unico organismo vivente, animato dallo pneuma, forza vitale che tutto pervade, che si esprime nella reciproca azione di un elemento attivo (heghemonikòn) e di uno passivo (hypàrchon) che ne subisce l'attrazione. L'astronomo Seleuco di Seleucia, che secondo Plutarco aveva dimostrato l'eliocentrismo, pensava che le maree fossero dovute all'azione della Luna, che egli pensava mediata dal pneuma presente tra la Terra e la Luna.. Secondo Plinio il Sole avrebbe un effetto sulle maree.
A Stratone di Lampsaco, che cercò di conciliare l'aristotelismo col meccanicismo, si attribuisce una teoria che prefigurerebbe quella dell'accelerazione, sulla base di una sua osservazione di un filo d'acqua in caduta libera, che si spezza in gocce forse aveva notato che questo si restringe progressivamente fino a spezzarsi, ma la quantità di acqua non diminuisce, quindi la velocità deve aumentare (il flusso è costante). Lucrezio, seguace dell'atomismo, affermò che corpi diversi si muovo con velocità diverse a causa della resistenza del mezzo, mentre nel vuoto avrebbero la stessa velocità. Vitruvio avrebbe sostenuto che la caduta di un oggetto non dipendesse dal suo peso, ma dalla sua natura, adducendo come prova il fatto che una pietra, per quanto pesante, galleggia sul mercurio, a differenza dell'oro, che invece affonda per quanto leggero sia.
In astronomia fu migliorata la teoria delle sfere omocentriche con l'aggiunta di modelli più accurati basati sugli epicicli o sull'eccentrico, finché il geocentrismo aristotelico raggiunse la sua perfezione con Claudio Tolomeo (II secolo). Ad Aristarco di Samo è attribuita invece la prima teoria eliocentrica. Plutarco, nel dialogo Sul volto della luna, sembrerebbe riportare l'idea che anche il Sole e la Luna, come la Terra, attraggano a sé le parti che li costituiscono. Nel dialogo compare anche l'analogia tra il moto della Luna intorno alla Terra e quello di una pietra fatta roteare in una fiondaIvi, 923C-D. Anche l'astronomo Ipparco si occupò della gravità nell'opera Sui corpi spinti in basso dal proprio peso, perduta.
Neoplatonismo e Medioevo L'animismo continuò a prevalere anche dopo la diffusione della dottrina neoplatonica, ripresa dalla teologia cristiana ed islamica, per la quale il cosmo è animato dal Logos divino, da cui le stelle e i pianeti risultano attratti: nel Medioevo il loro movimento viene spiegato in particolare con l'azione di intelligenze motrici, ordinate gerarchicamente in un coro di angeli. Si tratta di un universo retto da un principio armonico che si irradia in ogni sua parte, strutturato perciò in maniera concentrica secondo l'insegnamento aristotelico-tolemaico. A fondamento di quest'ordine geometrico è posto Dio, il quale lo governa attraverso un atto d'amore: la gravità, come forza d'amore, così descritta ad esempio da Dante nell'ultimo verso della Divina Commedia.Alberto Di Giovanni, La Filosofia dell'amore nelle opere di Dante, pag. 385, Abete, 1967.
Comunque, diversi pensatori nel corso dei secoli suggerirono correzioni alle teorie aristoteliche. Giovanni Filopono, commentatore di Aristotele vissuto nel VI secolo, affermò che la velocità dei corpi in caduta non è proporzionale al peso, bensì quasi identica per corpi diversi, e anticipò una teoria dell'impeto che escludeva l'animismo, per cui un corpo può muoversi anche dopo che sia cessata la forza motrice grazie ad un impeto impresso che viene progressivamente dissipato. Questa teoria fu valorizzata e modificata, tra gli altri, da Avicenna e Giovanni Buridano, che prefiguravano un universo meccanico basato sulla forza d'inerzia.Francesco Agnoli, Roberto Grossatesta: la filosofia della luce, pag. 85, nota 129, ESD, 2007.
Rinascimento e rivoluzione scientifica left|upright=1.1|thumb|La nuova visione eliocentrica dell'universo in auge durante la Rivoluzione scientifica L'analogia neoplatonica tra Dio e il Sole condurrà la filosofia rinascimentale a fare di quest'ultimo il centro di attrazione della Terra e dei pianeti, mettendo in crisi l'aristotelismo.Anna De Pace, Niccolò Copernico e la fondazione del cosmo eliocentrico, pag. 63, Mondadori, 2009.
In Keplero, il primo a descrivere in maniera ellittica le loro orbite attraverso tre leggi che portano il suo nome, permane la concezione animistica e astrologica dell'universo, basata sulla corrispondenza armonica tra i cieli e la terra.Andrea Albini, L'autunno dell'astrologia, pag. 36, Odradek, 2010. Egli interpretava la forza immateriale della gravità come una sorta di emanazione magnetica. Già Copernico ipotizzò che la gravità non fosse propria solo della Terra, ma anche degli altri corpi celesti.
A partire dal Seicento la visione animistica della gravità verrà progressivamente sostituita da una puramente meccanicista; Galileo Galilei ne fornì una descrizione limitata all'aspetto quantitativo e, riprendendo l'antica idea di Filopono, teorizzò che facendo cadere due corpi di masse differenti nello stesso momento, entrambi sarebbero arrivati al suolo in contemporanea, calcolando che la distanza da loro percorsa era proporzionale al quadrato del tempo trascorso. Che due corpi di diverso peso arrivino a terra nello stesso tempo sarebbe stato già anticipato da Stevino, mentre Domingo de Soto affermò che i corpi in caduta libera accelerano, al netto di resistenze del mezzo.
Cartesio, per evitare l'attrazione a distanza, negò che la gravità consistesse in una forza intrinseca, spiegandola sulla base di vortici di etere, dalla cui forza centrifuga i pianeti, tendenti a procedere per inerzia in linea retta, venivano trascinati intorno al Sole. Egli ricondusse ogni fenomeno fisico al principio di conservazione del moto, dato dalla massa per la velocità (mv). Leibniz obietterà a Cartesio che la quantità di moto non bastava a definire l'essenza di una forza e ripristinò il concetto vitalistico di energia o vis viva, espressa dal prodotto della massa per la velocità al quadrato (e=mv2): era questa per lui a essere conservata in natura.Ernst Cassirer, Storia della filosofia moderna, vol. II, Da Bacone a Kant, p. 194, Torino, Einaudi, 1961.
Leibniz e Johann Bernoulli avrebbero tentato in seguito di dedurre le leggi di Keplero dalla teoria cartesiana della gravità, ma senza riuscirci. Nel frattempo prendevano piede nuove idee sull'interazione attrattiva tra i corpi: Giovanni Alfonso Borelli affermò che i pianeti sono attratti dal Sole, così come i satelliti sono attratti dai propri pianeti, ma che non cadono perché una forza centrifuga bilancia l'attrazione. Ismael Boulliau propose che la forza di gravità diminuisse con il quadrato della distanza. Nel 1674 Robert Hooke presentò una teoria in cui i corpi si muovono in linea retta in assenza di forze e i pianeti sono attratti gli uni dagli altri con una forza che decresce con la distanza. Non fornì però una trattazione matematica dei moti planetari.
Newton e la fisica classica
Un concetto di forza affine a quello di Cartesio era stato peraltro espresso da Newton, che fece della massa, cioè della quantità di materia (data dal volume per la densità) il concetto fondamentale della meccanica gravitazionale: quanto più è grande la massa di un corpo, tanto più potente è la sua forza di gravità.La seconda legge di Newton, trad. it. di Giuliano Pinto, 2005.