Si dice che l'epifania sia arrivata ad Albert Einstein in un istante. Lo scienziato presumibilmente stava guidando un tram a Berna (Svizzera), guardò l'orologio della strada e improvvisamente si rese conto che se il tram ora accelerasse alla velocità della luce, allora nella sua percezione questo orologio si fermerebbe - e non ci sarebbe tempo intorno. Ciò lo ha portato a formulare uno dei postulati centrali della relatività: che diversi osservatori percepiscono la realtà in modo diverso, comprese quantità fondamentali come la distanza e il tempo.
Scientificamente parlando, quel giorno Einstein si rese conto che la descrizione di qualsiasi evento o fenomeno fisico dipende dal quadro di riferimento in cui si trova l'osservatore (vedi effetto Coriolis). Se un passeggero su un tram, ad esempio, fa cadere gli occhiali, allora per lei cadranno verticalmente verso il basso e per un pedone in piedi sulla strada, gli occhiali cadranno in una parabola, mentre il tram si muove mentre i bicchieri cadono. Ognuno ha il proprio quadro di riferimento.
Ma sebbene le descrizioni degli eventi cambino durante il passaggio da un quadro di riferimento a un altro, ci sono anche cose universali che rimangono invariate. Se, invece di descrivere la caduta degli occhiali, poniamo una domanda sulla legge di natura che li fa cadere, la risposta sarà la stessa per un osservatore in un sistema di coordinate fisse e per un osservatore in un sistema di coordinate in movimento. La legge del traffico distribuito è ugualmente valida su strada e sul tram. In altre parole, mentre la descrizione degli eventi dipende dall'osservatore, le leggi della natura non dipendono da lui, cioè, come si dice nel linguaggio scientifico, sono invarianti. Questo è il principio della relatività.
Come ogni ipotesi, il principio di relatività doveva essere verificato correlandolo con fenomeni naturali reali. Dal principio di relatività, Einstein derivò due teorie separate (anche se correlate). La teoria della relatività speciale, o particolare, procede dal presupposto che le leggi della natura sono le stesse per tutti i sistemi di riferimento che si muovono a velocità costante. La relatività generale estende questo principio a qualsiasi sistema di riferimento, compresi quelli che si muovono con accelerazione. La teoria della relatività speciale fu pubblicata nel 1905 e, la più complessa dal punto di vista dell'apparato matematico, la teoria della relatività generale fu completata da Einstein nel 1916.
Teoria speciale della relatività
La maggior parte delle idee intuitive paradossali e contraddittorie sul mondo degli effetti che sorgono quando ci si muove a una velocità prossima a quella della luce sono previste dalla teoria della relatività speciale. Il più famoso di questi è l'effetto di rallentare l'orologio o l'effetto di rallentare il tempo. Un orologio che si muove rispetto all'osservatore corre per lui più lentamente di esattamente lo stesso orologio nelle sue mani.
Il tempo in un sistema di coordinate che si muove con velocità prossime alla velocità della luce è allungato rispetto all'osservatore, mentre l'estensione spaziale (lunghezza) degli oggetti lungo l'asse della direzione del movimento, al contrario, è compressa. Questo effetto, noto come contrazione di Lorentz-Fitzgerald, fu descritto nel 1889 dal fisico irlandese George Fitzgerald (1851-1901) e integrato nel 1892 dall'olandese Hendrick Lorentz (1853-1928). L'abbreviazione di Lorentz-Fitzgerald spiega perché l'esperimento di Michelson-Morley per determinare la velocità della Terra nello spazio misurando il "vento dell'etere" ha dato un risultato negativo. Successivamente, Einstein incluse queste equazioni nella relatività ristretta e le integrò con una formula di trasformazione simile per la massa,secondo la quale la massa del corpo aumenta anche quando la velocità del corpo si avvicina alla velocità della luce. Quindi, a una velocità di 260.000 km / s (87% della velocità della luce), la massa di un oggetto dal punto di vista di un osservatore nel sistema di riferimento a riposo raddoppierà.
Video promozionale:
Fin dai tempi di Einstein, tutte queste predizioni, per quanto contrarie al buon senso possano sembrare, trovano una conferma sperimentale completa e diretta. In uno degli esperimenti più rivelatori, gli scienziati dell'Università del Michigan hanno messo un orologio atomico ultra preciso a bordo di un aereo di linea che effettuava voli transatlantici regolari e, dopo ogni volo di ritorno all'aeroporto di casa, controllavano le loro letture rispetto all'orologio di controllo. Si è scoperto che l'orologio sull'aereo è rimasto gradualmente indietro rispetto a quelli di controllo (per così dire, quando si tratta di frazioni di secondo). Nell'ultimo mezzo secolo, gli scienziati hanno studiato particelle elementari in enormi complessi hardware chiamati acceleratori. In essi, i fasci di particelle subatomiche cariche (come protoni ed elettroni) vengono accelerati a velocità vicine alla velocità della luce,poi vengono sparati contro vari bersagli nucleari. In tali esperimenti sugli acceleratori, è necessario tenere conto dell'aumento della massa delle particelle accelerate, altrimenti i risultati dell'esperimento semplicemente non si presteranno a un'interpretazione ragionevole. E in questo senso, la teoria della relatività speciale è passata da tempo dalla categoria delle teorie ipotetiche al campo degli strumenti dell'ingegneria applicata, dove è usata alla pari con le leggi della meccanica di Newton.
Tornando alle leggi di Newton, vorrei sottolineare che la teoria della relatività speciale, sebbene esteriormente contraddica le leggi della meccanica newtoniana classica, infatti, riproduce praticamente esattamente tutte le solite equazioni delle leggi di Newton, se applicata per descrivere corpi che si muovono con una velocità significativa inferiore alla velocità della luce. Cioè, la teoria della relatività speciale non cancella la fisica newtoniana, ma la espande e la completa (questa idea è discussa più in dettaglio nell'introduzione).
Il principio di relatività aiuta anche a capire perché la velocità della luce, e non qualsiasi altra, gioca un ruolo così importante in questo modello della struttura del mondo: questa domanda è posta da molti di coloro che hanno incontrato per la prima volta la teoria della relatività. La velocità della luce risalta e svolge un ruolo speciale come costante universale, perché è determinata da una legge di scienze naturali (vedi le equazioni di Maxwell). In virtù del principio di relatività, la velocità della luce nel vuoto, c, è la stessa in qualsiasi sistema di riferimento. Ciò apparentemente contraddice il buon senso, poiché risulta che la luce proveniente da una sorgente in movimento (indipendentemente dalla velocità con cui si muove) e da una sorgente stazionaria raggiunge l'osservatore contemporaneamente. Tuttavia, è così.
A causa del suo ruolo speciale nelle leggi della natura, la velocità della luce è centrale per la relatività generale.
Teoria generale della relatività
La teoria generale della relatività è già applicata a tutti i sistemi di riferimento (e non solo a quelli che si muovono a velocità costante l'uno rispetto all'altro) e sembra matematicamente molto più complicata di quella speciale (il che spiega gli undici anni di distanza tra la loro pubblicazione). Include, come caso speciale, la teoria della relatività speciale (e, quindi, le leggi di Newton). Inoltre, la teoria generale della relatività va molto più in là di tutti i suoi predecessori. In particolare, fornisce una nuova interpretazione della gravità.
La relatività generale rende il mondo quadridimensionale: il tempo viene aggiunto alle tre dimensioni spaziali. Tutte e quattro le dimensioni sono inseparabili, quindi non stiamo più parlando della distanza spaziale tra due oggetti, come nel mondo tridimensionale, ma degli intervalli spazio-temporali tra eventi che uniscono la loro distanza l'uno dall'altro - sia nel tempo che nello spazio … Cioè, lo spazio e il tempo sono considerati come un continuum spazio-temporale quadridimensionale o, semplicemente, spazio-tempo. In questo continuum, gli osservatori che si muovono l'uno rispetto all'altro possono persino non essere d'accordo sul fatto che due eventi siano accaduti simultaneamente o uno abbia preceduto l'altro. Fortunatamente per le nostre povere menti, la questione non arriva a una violazione delle relazioni di causa ed effetto, cioè l'esistenza di sistemi di coordinate,in cui due eventi non si verificano contemporaneamente e in una sequenza diversa, anche la teoria della relatività generale non lo consente.
La legge di gravità di Newton ci dice che esiste una forza di attrazione reciproca tra due corpi qualsiasi nell'universo. Da questo punto di vista, la Terra gira attorno al Sole, poiché tra loro agiscono le forze di reciproca attrazione. La relatività generale, tuttavia, ci costringe a guardare questo fenomeno in modo diverso. Secondo questa teoria, la gravità è una conseguenza della deformazione ("curvatura") del tessuto elastico dello spazio-tempo sotto l'influenza della massa (in questo caso, più un corpo è pesante, ad esempio il Sole, più lo spazio-tempo si "piega" sotto di esso e, di conseguenza, più forte è la sua gravità campo). Immagina una tela tesa strettamente (una specie di trampolino) con una palla enorme su di essa. La rete si deforma sotto il peso della palla e attorno ad essa si forma una depressione a forma di imbuto. Secondo la relatività generale,La Terra gira intorno al Sole come una piccola palla impostata per rotolare attorno al cono di un imbuto formato come risultato della "forzatura" dello spazio-tempo da parte di una palla pesante - il Sole. E quella che ci sembra essere la forza di gravità, infatti, è, in effetti, una manifestazione puramente esterna della curvatura dello spazio-tempo, e non è affatto una forza nella comprensione newtoniana. Ad oggi, non è stata trovata alcuna spiegazione della natura della gravità migliore di quella che ci fornisce la teoria generale della relatività. Ad oggi, non è stata trovata alcuna spiegazione della natura della gravità migliore di quella che ci fornisce la teoria generale della relatività. Ad oggi, non è stata trovata alcuna spiegazione della natura della gravità migliore di quella che ci fornisce la teoria generale della relatività.
È difficile testare la teoria generale della relatività, poiché in normali condizioni di laboratorio i suoi risultati coincidono quasi completamente con ciò che prevede la legge di gravitazione universale di Newton. Tuttavia, sono stati condotti diversi esperimenti importanti, i cui risultati consentono di considerare confermata la teoria. Inoltre, la relatività generale aiuta a spiegare i fenomeni che osserviamo nello spazio - per esempio, deviazioni minori di Mercurio da un'orbita stazionaria, che sono inspiegabili dal punto di vista della meccanica newtoniana classica, o la curvatura della radiazione elettromagnetica da stelle lontane quando passa in prossimità del Sole.
Infatti, i risultati predetti dalla relatività generale differiscono notevolmente dai risultati predetti dalle leggi di Newton solo in presenza di campi gravitazionali superstrong. Ciò significa che per un test completo della teoria della relatività generale, sono necessarie misurazioni ultra precise di oggetti molto massicci o buchi neri, a cui nessuna delle nostre solite idee intuitive è applicabile. Quindi lo sviluppo di nuovi metodi sperimentali per testare la teoria della relatività rimane uno dei compiti più importanti della fisica sperimentale.
