3.19 Deviazione gravitazionale vs rifrazione nei materiali — La linea di confine tra geometria di fondo e risposta del mezzo

Indice ／ Capitolo 3: universo macroscopico

I. Idee principali (mappa per il lettore)

• Deviazione gravitazionale: la luce percorre un cammino geometricamente più lungo in un fondo “più teso”. Vicino a corpi massicci aumenta la tensione di fondo, cresce anche il limite locale di propagazione e i raggi si incurvano verso il lato “più teso”. Poiché la geometria allunga il percorso, il tempo totale di viaggio spesso aumenta. L’effetto è acromatico e vale per più messaggeri, come fotoni e onde gravitazionali.
• Rifrazione nei materiali: all’interno di un mezzo la luce si accoppia ripetutamente con cariche legate; la velocità effettiva diminuisce e compare dispersione (i colori si deviano in modo diverso). Si aggiungono assorbimento, scattering e allargamento degli impulsi; le variazioni di traiettoria si producono alle interfacce e nel volume del materiale.

II. Differenze chiave (quattro “schede spartiacque”)

1. Dispersione sì o no
   • Deviazione gravitazionale: acromatica; tutte le bande si incurvano e si ritardano insieme.
   • Rifrazione nei materiali: fortemente dispersiva; blu e rosso hanno angoli diversi e l’ordine di arrivo degli impulsi si sventaglia.
2. Origine del tempo aggiuntivo
   • Deviazione gravitazionale: il limite locale è più alto ma la rotta curva è più lunga; domina il termine di lunghezza del cammino.
   • Rifrazione nei materiali: nel mezzo la propagazione è più lenta per cicli di pausa e ri-emissione, con assorbimento o scattering multipli aggiuntivi.
3. Energia e coerenza
   • Deviazione gravitazionale: modifica soprattutto geometrica, perdite di energia trascurabili, coerenza in gran parte preservata.
   • Rifrazione nei materiali: assorbimento, rumore termico e decoerenza allargano gli impulsi e attenuano le frange d’interferenza.
4. Campo di applicazione
   • Deviazione gravitazionale: impone la stessa regola geometrica a fotoni, onde gravitazionali e neutrini.
   • Rifrazione nei materiali: agisce sulle onde elettromagnetiche che si accoppiano alla materia; le onde gravitazionali quasi “non si accorgono” del vetro.

III. Due sezioni in “spaccato”

1. Deviazione gravitazionale (geometria di fondo)
   • Scenario: vicinanza di galassie, buchi neri e ammassi.
   • Aspetto: i raggi si incurvano verso il lato “teso”; il lensing forte produce immagini multiple e archi, quello debole induce shear e convergenza.
   • Cronometria: percorsi multipli di una stessa sorgente generano ritardi acromatici; intere bande si spostano “prima–dopo” all’unisono.
   • Diagnosi: confrontiamo ritardi e angoli di deviazione tra bande e messaggeri; se gli scarti concordano e i rapporti restano stabili, la causa è geometrica.
2. Rifrazione nei materiali (risposta del mezzo)
   • Scenario: vetro, acqua, nubi di plasma, strati di polvere.
   • Aspetto: l’angolo rifratto dipende dalla lunghezza d’onda; compaiono riflessione, scattering e assorbimento.
   • Cronometria: marcato allargamento degli impulsi; nei plasmi le frequenze più basse arrivano più tardi; emerge una curva di dispersione netta.
   • Diagnosi: sottraiamo i foreground materiali noti; se resta dispersione residua, cerchiamo mezzi non modellati. Se la dispersione scompare ma persiste uno spostamento comune, torniamo a una spiegazione geometrica.

IV. Criteri osservativi e lista operativa

• Codetezione multibanda: se ottico–NIR–radio lungo lo stesso percorso mostrano curvatura o ritardo comuni senza dispersione marcata, privilegiamo la deviazione gravitazionale.
• Verifica multi-messaggero: se fotoni e onde gravitazionali (o neutrini) dello stesso evento si spostano nello stesso verso e con ampiezza comparabile, la causa è la geometria di fondo, non la dispersione del mezzo.
• Differenza multi-immagine (lensing forte): sottraiamo le curve di luce tra immagini della stessa sorgente per eliminare la variabilità intrinseca; se i residui restano acromatici e correlati, indicano differenze geometriche di cammino.
• Curva di allargamento degli impulsi: se l’orario di arrivo si apre sistematicamente con la frequenza e la coerenza cala, attribuiamo l’effetto a dispersione e assorbimento del materiale.

V. Risposte rapide a idee diffuse ma imprecise

1. La luce diventa più lenta vicino a un corpo massiccio?
   • Localmente: il limite di propagazione è più alto.
   • Da lontano: la rotta è più lunga e curva, quindi il tempo totale spesso cresce. Si misurano grandezze diverse; non c’è contraddizione.
2. La rifrazione del materiale può “imitare” una lente gravitazionale?
   Difficile sostenerlo su ampie bande e tra messaggeri: i mezzi disperdono e decoerono, mentre il lensing gravitazionale è acromatico e multi-messaggero.
3. Un’unica banda spettrale basta per distinguere?
   Rischioso. La strategia robusta combina multibanda + multi-messaggero + differenza multi-immagine.

VI. Collegamenti con altre sezioni del volume

• Con §1.11 gravità statistica della tensione (STG): la deviazione gravitazionale è la manifestazione “guidata dalla pendenza”.
• Con §1.12 rumore di fondo della tensione (TBN): spesso si osserva “prima rumore, poi forza”: il fondo si solleva e i termini geometrici si rafforzano.
• Con §8.4 spostamento verso il rosso (Redshift): cambiamenti acromatici di frequenza e di cronometria accumulati su lunghi cammini sono “termini di percorso” della geometria di fondo e della sua evoluzione.
• Con §8.6 fondo cosmico a microonde (CMB): il quadro iniziale “lastra + sviluppo” richiede effetti di fondo acromatici; i foreground materiali vanno rimossi in modo sistematico.

VII. In sintesi

• In una frase: la deviazione gravitazionale rimodella il percorso; la rifrazione nei materiali cambia la “sensazione del passo” all’interno del mezzo.
• Cosa verificare: dispersione, coerenza, differenza multi-immagine e coerenza tra messaggeri.
• Metodo: attribuire gli “spostamenti comuni” alla geometria di fondo e gli “allargamenti dispersivi” alla risposta del mezzo, registrando entrambi su un’unica mappa della tensione di fondo.