La teoria della Relatività in parole semplici

La teoria della Relatività in parole semplici (3.67/5) su 30 voti
La teoria della relatività nasce nei primi del 900, un periodo di profondi cambiamenti scientifici. Fino ad allora si pensava che le onde elettromagnetiche (luce, onde radio, ecc) viaggiassero attraverso lo spazio sfruttando l’etere, ovvero qualcosa di sconosciuto che permea il tutto. Anche al giorno d’oggi molte persone parlano ancora di etere, ma si tratta più spesso di appassionati piuttosto che veri esperti di fisica. Si cerca di ricorrere all’etere per poter parlare di energia infinita, di antigravità, ed altre stranezze (di cui si sente molto parlare ma non se ne ha mai l’evidenza in alcun esperimento).

relatività velocità terra e luceNel 1887, in un esperimento di Albert Michelson e Edward Morley, vennne dimostrato che in effetti la teoria dell’etere non è il giusto metodo per spiegare la propagazione delle onde elettromagnetiche. I due fisici misurarono la velocità della luce di due raggi perpendicolari tra loro, quindi che formano un angolo di 90 gradi. Come sappiamo la terra ruota su se stessa ed attorno al sole. Se un raggio di luce punta verso la direzione in cui la terra sta viaggiando ruotando attorno al sole, e la terra si sposta dentro l’etere che è relativamente fermo ed immobile, poiché permea il tutto, significa che la velocità della luce la percepiamo rallentata poiché l’etere è fermo mentre la terra si muove ad alta velocità. Un po’ come se vi affiancate ad un automobile a 100 chilometri l’ora, vi sembrerà relativamente ferma. Invece, dalle misurazioni, si è scoperto che tutto questo non avviene. In poche parole la velocità della luce è costante da qualsiasi sistema di riferimento la si osservi, che sia un oggetto in moto o meno. E questa cosa è risultata assolutamente assurda, poichè va contro ad ogni concetto fisico fino ad allora riconosciuto.

Per fare un altro esempio, immaginate di correre affiancando un fascio di luce. La luce viaggia a 300.000 km al secondo, e voi state correndo a 200.000 km al secondo: se misurate la velocità della luce mentre la state affiancando, la fisica suggerisce che la misurazione sarebbe di 300.000-200.000 = 100.000 km al secondo. Invece la velocità misurata sarebbe sempre 300.000! Com’è possibile? Lorentz e George Fitzgerald ebbero un’idea: se la misurazione della velocità rimane costante, significa che varia qualche altro parametro. Il parametro della velocità di qualsiasi corpo, si calcola dividendo lo spazio percorso per il tempo impiegato ( V = S/T velocità uguale a spazio fratto tempo). Se V rimane costante significa che a cambiare sono S oppure T, il tempo! Quindi a man mano che un oggetto accelera, si contrae il suo spazio (come se diminuisse di dimensione) ed il suo tempo rallenta!

aerei relativitaEinstein già nel 1905 aggiunse che se non si è in grado di accertare quando ci si muove o meno nello spazio, l’etere non è necessario per spiegare il fenomeno delle onde elettromagnetiche. Così, si dovette abbandonare l’idea che il tempo fosse una grandezza universale, gli orologi quindi non scandivano i secondi in egual modo ovunque. Due orologi scandiscono i secondi in modo uguale solamente se essi si muovono alla stessa velocità: più un orologio accelera o rallenta rispetto all’altro, più il tempo per loro due scorre in modo diverso. E’ come se, viaggiando in autostrada, gli orologi di una Porsche ai 150km/h, di una Panda ai 100km/h e di un autocarro che viaggia a 70km/h segnassero il tempo in modo diverso.  La Porsche viaggerebbe nel futuro, poichè il tempo dentro l’abitacolo scorre più lentamente rispetto agli altri: quindi il pilota della Porsche vedrebbe la gente muoversi in modo accelerato ed innaturale. Tutto questo accade veramente, solo che con differenze di velocità così piccole, noi non riusciamo ad accorgercene. I satelliti in orbita attorno alla terra ad esempio, che ci sorvolano a circa 8 km al secondo, viaggiano nel tempo in modo molto più sensibile, tanto che da terra siamo costretti a fare delle correzioni altrimenti i satelliti GPS invierebbero segnali non corretti ed i nostri navigatori sbaglierebbero di molto la posizione sulla mappa.

Nel lontano 1972, un gruppo di scienziati si preparava a lanciare in orbita dei satelliti con i quali studiare gli effetti della teoria della relatività sfruttando le elevatissime velocità raggiungibili nello spazio: vennero però anticipati dall’esperimento denominato “Hafele-Keating” per ricordare i suoi geniali ideatori. Se è vero che più ci si avvicina alla velocità della luce più il tempo si dilata, allora è sufficiente sincronizzare degli orologi atomici (ad altissima precisione) lasciandone uno a terra e posizionando invece l’altro su di un aereo in volo per un giorno intero. L’orologio in viaggio a bordo dell’aereo ad alta velocità subirà una dilatazione temporale e quindi quando verrà confrontato con l’orologio rimasto a terra, sarà riscontrabile un ritardo. In questo esperimento, fecero molto di più: equipaggiarono due aerei con orologi atomici e li fecero volare attorno al globo per 3 giorni consecutivi, un aereo verso est mentre l’altro verso ovest. I risultati ottenuti  confrontando questi con l’orologio rimasto a terra, furono sorprendenti. L’orologio che ha viaggiato verso est, è risultato in ritardo di circa 0.06 milionesimi di secondo; mentre quello che ha viaggiato verso ovest di 0.27 milionesimi di secondo. Ma qualcosa non torna, se gli aerei viaggiavano alla stessa velocità, non dovrebbero ottenere la stessa dilatazione dello spazio tempo? Non dovete dimenticare di considerare che l’aereo diretto verso ovest viaggiava alla velocità di crociera sommata a quella di rotazione terrestre; mentre nel caso dell’aereo diretto ad est, alla sua velocità di crociera va sottratta quella di rotazione della terra, dove era posizionato il terzo orologio! Questo spalanca una porta del tutto nuova poiché se consideriamo la terra in movimento mentre ruota attorno al sole, ed il sole stesso in movimento poichè si sposta nella nostra galassia, tutto l’universo è suddiviso in “sacche temporali” dove il tempo scorre in base alla velocità a cui si muove quel sistema rispetto a noi o ad altri sistemi.

La teoria della relatività stravolse in quegli anni due importanti realtà della fisica di quel tempo: il fatto che l’etere fosse il riferimento come quiete assoluta, ed il fatto che, secondo la gravità di Newton, aggiungendo una massa in un sistema gravitazionale, tutti i corpi reagiscono istantaneamente alla nuova forza indipendentemente dalla distanza a cui si trovano. Questo significa che il “segnale” del cambiamento avvenuto si trasmette a velocità superiori di quella della luce che come sappiamo la teoria della relatività indica come la velocità massima possibile.

ascensore teoria relativita

Einstein si rese conto di queste difficoltà e si mise subito al lavoro per trovare delle spiegazioni accettabili dalla comunità scentifica. Immaginò così un uomo all’interno di una cabina da ascensore (a quel tempo non erano di moda le astronavi…). Se l’uomo è in piedi e percepisce una certa forza di gravità, può significare due cose: o si trova sulla terra e la gravità della terra lo attira verso il basso,  oppure si trova dentro un ascensore nello spazio, il quale viene accelerato da un potente razzo, così che l’accelerazione lo spinga verso il basso dandogli l’illusione di gravità. Non ha modo in realtà di sapere quale delle due sia la spiegazione corretta del fenomeno. Quindi c’è una certa equivalenza tra la gravità e l’accelerazione! Sembrano la stessa forza, non possono essere distinte. Applicando questa idea alla gravità terrestre però, funzionerebbe solo se la terra fosse piatta: quando una mela cade sulla testa di Newton, si può dire che la mela è caduta verso il basso oppure che la terra e Newton hanno accelerato verso l’alto. Ma visto che la terra è sferica, com’è possibile che tutte le forze partano dal centro della terra puntando in direzioni sempre diverse in base a dove ci troviamo? L’accelerazione al polo nord è esattamente opposta all’accelerazione di gravità del polo sud. Qui Einstein ebbe il suo più grande colpo di genio.

distorsione spazio temporale

Ne dedusse che la massa della terra distorce lo spazio tempo, e quindi genera una accelerazione verso il centro di se stessa: ma cosa significa distorcere lo spazio tempo? Immaginate di tendere una tovaglia dai suoi quattro angoli e posizionare una palla in centro: la palla incurva la tovaglia verso il basso e qualsiasi oggetto sulla tovaglia cadrebbe scivolando verso la palla.

deviazione raggio luminosoMaggiore la massa della palla, maggiore l’accelerazione con cui i pezzi le cadono contro, poiché la tovaglia si inclinerebbe maggiormente, formando un vero e proprio cono verso il basso. La nuova teoria dello “spazio curvo” venne chiamata relatività generale, per distinguerla dalla precedente relatività ristretta che non prendeva in considerazione la gravità.

La prova che la relatività generale era corretta fu dimostrata in modo eclatante nel 1919 quando durante un eclissi di sole totale, i telescopi rilevarono che effettivamente la luce di una stella che giugeva a noi passando nei pressi del sole, veniva distorta dalla deformazione spazio-temporale causata dalla massa del nostro sole stesso!

Comments

comments