La teoria della relatività speciale, che all'inizio del secolo scorso capovolse le idee generalmente accettate sul mondo, continua ancora ad eccitare le menti e i cuori delle persone. Oggi proveremo a capire insieme di cosa si tratta.
Nel 1905, Albert Einstein pubblicò Special Theory of Relativity (STR), che spiegava come interpretare il movimento tra diversi sistemi di riferimento inerziali - in poche parole, oggetti che si muovono a velocità costante l'uno rispetto all'altro.
Einstein ha spiegato che quando due oggetti si muovono a velocità costante, si dovrebbe considerare il loro movimento l'uno rispetto all'altro, invece di accettarne uno come un sistema di riferimento assoluto.
Quindi, se due astronauti, tu e, diciamo, Herman, volate su due astronavi e volete confrontare le vostre osservazioni, l'unica cosa che dovete sapere è la vostra velocità l'una rispetto all'altra.
La relatività speciale considera solo un caso speciale (da cui il nome), quando il moto è rettilineo e uniforme. Se un corpo materiale accelera o si allontana, le leggi SRT non funzionano più. Quindi entra in vigore la teoria della relatività generale (GTR), che spiega i movimenti dei corpi materiali nel caso generale.
La teoria di Einstein si basa su due principi fondamentali:
1. Il principio di relatività: le leggi fisiche sono preservate anche per i corpi che sono sistemi di riferimento inerziali, cioè si muovono a velocità costante l'uno rispetto all'altro.
2. Il principio della velocità della luce: la velocità della luce rimane invariata per tutti gli osservatori, indipendentemente dalla loro velocità rispetto alla sorgente luminosa. (I fisici denotano la velocità della luce con la lettera c).
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Una delle ragioni del successo di Albert Einstein è che ha messo i dati sperimentali al di sopra di quelli teorici. Quando una serie di esperimenti ha rivelato risultati che contraddicevano la teoria generalmente accettata, molti fisici hanno deciso che questi esperimenti erano sbagliati.
Albert Einstein è stato uno dei primi a decidere di costruire una nuova teoria basata su nuovi dati sperimentali.
Alla fine del IX secolo, i fisici erano alla ricerca di un misterioso etere - un mezzo in cui, secondo i presupposti generalmente accettati, le onde luminose dovrebbero propagarsi, come le onde acustiche, per le quali è necessaria l'aria per propagarsi, o un altro mezzo - solido, liquido o gassoso. La credenza nell'esistenza dell'etere ha portato alla convinzione che la velocità della luce debba cambiare a seconda della velocità dell'osservatore in relazione all'etere.
Albert Einstein ha abbandonato il concetto di etere e ha suggerito che tutte le leggi fisiche, inclusa la velocità della luce, rimangono invariate indipendentemente dalla velocità dell'osservatore, come hanno dimostrato gli esperimenti.
Omogeneità di spazio e tempo
L'SRT di Einstein postula una relazione fondamentale tra spazio e tempo. L'universo materiale, come sai, ha tre dimensioni spaziali: su-giù, destra-sinistra e avanti-indietro. Viene aggiunta un'altra dimensione: temporanea. Insieme, queste quattro dimensioni costituiscono il continuum spazio-temporale.
Se ti muovi ad alta velocità, le tue osservazioni in relazione allo spazio e al tempo saranno diverse da quelle di altre persone che si muovono a velocità inferiore.
L'immagine sotto mostra un esperimento mentale per aiutarti a capire questa idea. Immagina di essere su un'astronave, di avere un laser tra le mani, con l'aiuto del quale invii raggi di luce al soffitto su cui è fissato uno specchio. La luce, riflessa, cade sul rivelatore, che le registra.
Sopra: hai inviato un raggio di luce al soffitto, è stato riflesso ed è caduto verticalmente sul rilevatore. Sotto: per Herman, il raggio di luce si sposta diagonalmente verso il soffitto e poi diagonalmente verso il rilevatore.
Sopra: hai inviato un raggio di luce al soffitto, è stato riflesso ed è caduto verticalmente sul rilevatore. Sotto: per Herman, il raggio di luce si sposta diagonalmente verso il soffitto e poi diagonalmente verso il rilevatore.
Supponiamo che la tua nave si muova a una velocità costante pari alla metà della velocità della luce (0,5c). Secondo l'SRT di Einstein, non ti importa, non noti nemmeno il tuo movimento.
Tuttavia, Herman, osservandoti da un'astronave a riposo, vedrà un'immagine completamente diversa. Dal suo punto di vista, il raggio di luce viaggerà diagonalmente fino allo specchio sul soffitto, rifletterà da esso e cadrà diagonalmente sul rivelatore.
In altre parole, la traiettoria del raggio di luce apparirà diversa per te e per Herman e la sua lunghezza sarà diversa. Pertanto, il tempo impiegato dal raggio laser per percorrere la distanza dallo specchio e dal rilevatore ti sembrerà diverso.
Questo fenomeno è chiamato dilatazione del tempo: il tempo su un'astronave che si muove ad alta velocità, dal punto di vista di un osservatore sulla Terra, scorre molto più lentamente.
Questo esempio, come molti altri, dimostra chiaramente il legame inestricabile tra spazio e tempo. Questa connessione si manifesta chiaramente all'osservatore solo quando si tratta di velocità elevate, vicine alla velocità della luce.
Esperimenti da quando Einstein pubblicò la sua grande teoria hanno confermato che lo spazio e il tempo sono effettivamente percepiti in modo diverso a seconda della velocità di movimento degli oggetti.
Combinare massa ed energia
Nel suo famoso articolo pubblicato nel 1905, Einstein combinava massa ed energia in una formula semplice che da allora è nota a tutti gli studenti: E = mc².
Secondo la teoria del grande fisico, quando la velocità di un corpo materiale aumenta, avvicinandosi alla velocità della luce, aumenta anche la sua massa. Quelli. più velocemente l'oggetto si muove, più diventa pesante. Quando viene raggiunta la velocità della luce, la massa del corpo, così come la sua energia, diventa infinita. Più pesante è il corpo, più difficile è aumentare la sua velocità; ci vuole una quantità infinita di energia per accelerare un corpo con massa infinita, quindi è impossibile per gli oggetti materiali raggiungere la velocità della luce.
Prima di Einstein, i concetti di massa ed energia in fisica erano considerati separatamente. Il brillante scienziato ha dimostrato che la legge di conservazione della massa, come la legge di conservazione dell'energia, sono parti di una legge più generale di massa-energia.
A causa della connessione fondamentale tra questi due concetti, la materia può essere trasformata in energia e viceversa - l'energia in materia.
