Lantigravità 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
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
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 KS, mai osservata sperimentalmente.
Gravitazione dell'antimateria
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
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
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.