La teoria della relatività speciale, avanzata da Albert Einstein nel 1905, è una delle teorie più influenti nel campo della fisica teorica e pratica del XX secolo. Qualsiasi fisico lo sa, ma come spiegarlo a chi non ha nulla a che fare con la scienza? Ci sono cose e fenomeni osservati nella vita di tutti i giorni che potrebbero dimostrare in azione questa teoria rivoluzionaria?
Teoria della relatività
Formulata da Albert Einstein nel 1905, la teoria scientifica della relatività suggerisce che:
- tutti i processi fisici procedono allo stesso modo ovunque e le leggi della fisica sono osservate in qualsiasi ambiente;
- esiste una velocità massima di propagazione delle interazioni che non può superare la velocità della luce;
- lo spazio e il tempo sono omogenei.
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La teoria spiega il comportamento di vari oggetti nello spazio-tempo, il che rende possibile prevedere tutto dall'esistenza di buchi neri, in cui lo stesso Einstein non poteva credere, alle onde gravitazionali. La relatività sembra ingannevolmente semplice, ma non è del tutto vera.
Influenza della teoria della relatività
La teoria della relatività spiega non solo fenomeni sorprendenti come onde gravitazionali e buchi neri, ma anche come lo spazio-tempo viene percepito in modo diverso a seconda della velocità e della direzione del movimento degli oggetti.
Se la velocità della luce è sempre costante, significa che per un astronauta che si muove molto rapidamente rispetto alla Terra, i secondi passano più lentamente che per un osservatore dalla Terra. Il tempo sta essenzialmente rallentando per l'astronauta.
Ma non abbiamo necessariamente bisogno di un'astronave per osservare vari effetti relativistici. In effetti, sono molti i casi in cui la teoria della relatività ristretta, progettata per migliorare la meccanica newtoniana, si manifesta nella nostra vita quotidiana e nelle tecnologie che usiamo regolarmente.
Elettricità
Il magnetismo è un effetto relativistico e se usi l'elettricità puoi ringraziare la relatività per aver fatto funzionare i generatori.
Se prendi un conduttore e lo esponi a un campo magnetico, viene generata una corrente elettrica. Le particelle cariche in un conduttore sono esposte a un campo magnetico variabile, che le costringe a muoversi e crea una corrente elettrica.
Elettromagneti
Il lavoro degli elettromagneti è anche perfettamente spiegato dalla teoria della relatività. Quando una corrente continua di carica elettrica passa attraverso un filo, gli elettroni in esso si spostano. Di solito il filo sembra essere elettricamente neutro, senza carica positiva o negativa. Questa è una conseguenza della presenza in esso dello stesso numero di protoni (cariche positive) ed elettroni (cariche negative). Ma se si posiziona un altro filo accanto ad esso con un flusso diretto di elettricità, i fili si attraggono o si respingono a vicenda, a seconda della direzione in cui si muove la corrente nel filo.
Se la corrente si muove nella stessa direzione, gli elettroni del primo filo “percepiscono” gli elettroni del secondo filo come stazionari (se la carica elettrica è della stessa intensità). Nel frattempo, in termini di elettroni, i protoni in entrambi i fili sono in movimento. A causa dell'accorciamento relativistico della lunghezza, sembrano essere posizionati più vicini l'uno all'altro, quindi, lungo l'intera lunghezza del filo, c'è più carica positiva che negativa. Poiché le stesse cariche vengono respinte, lo sono anche i due fili.
La corrente che viaggia in direzioni opposte fa sì che i conduttori si attraggano.
Sistema di posizionamento globale
Per la navigazione GPS più accurata, i satelliti devono tenere conto degli effetti relativistici. Ciò è dovuto al fatto che, nonostante il fatto che i satelliti si muovano molto più lentamente della loro velocità massima, si muovono comunque abbastanza velocemente. I satelliti inviano i loro segnali alle stazioni di terra. Loro, come i navigatori GPS di automobili, smartphone e altri dispositivi, subiscono un'accelerazione maggiore a causa della gravità rispetto ai satelliti in orbita.
Per ottenere una precisione perfetta, i satelliti si affidano a orologi estremamente precisi per indicare i tempi fino a nanosecondi (miliardesimi di secondo). Poiché ogni satellite si trova a 20.300 chilometri sopra la Terra e vi viaggia a circa 10.000 chilometri all'ora, appare una differenza di tempo relativistica di circa quattro microsecondi al giorno. Aggiungi gravità all'equazione e il numero sale a circa sette microsecondi. Si tratta di circa 7 mila nanosecondi.
La differenza è abbastanza grande: se non si tenesse conto degli effetti relativistici, il navigatore GPS si sbaglierebbe di quasi 8 chilometri il primo giorno.
Colore nobile dell'oro
I metalli appaiono lucidi perché gli elettroni nei loro atomi si muovono tra diversi livelli di energia o orbitali. Alcuni fotoni di luce che colpiscono una superficie metallica vengono assorbiti e quindi emessi da un'onda di luce più lunga. La maggior parte dei raggi di luce visibili vengono semplicemente riflessi.
L'atomo d'oro è molto pesante, quindi gli elettroni nel nucleo si muovono abbastanza velocemente, determinando un significativo aumento relativo della massa. Di conseguenza, gli elettroni ruotano attorno al nucleo in un'orbita più corta con maggiore quantità di moto. Gli elettroni negli orbitali interni portano una carica che coincide approssimativamente con la carica degli elettroni esterni, rispettivamente, la luce assorbita e riflessa è caratterizzata da un'onda più lunga.
Lunghezze d'onda maggiori della luce indicano che parte della luce visibile che normalmente verrebbe riflessa è stata assorbita dagli atomi e quella parte si trova all'estremità blu dello spettro. Ciò significa che la luce riflessa ed emessa dall'oro è più vicina allo spettro di lunghezze d'onda più lunghe, cioè ha più giallo, arancione e rosso e quasi nessun blu e viola a onde corte.
L'oro è virtualmente resistente all'erosione
L'effetto relativistico visto sugli elettroni nell'oro è anche il motivo per cui il metallo non si corrode e reagisce male con altri elementi.
L'oro ha un solo elettrone nel guscio elettronico esterno, ma nonostante ciò è ancora meno attivo del calcio o del litio, che sono simili nella struttura. Gli elettroni nell'oro sono più pesanti e quindi si trovano più vicini al nucleo dell'atomo. Ciò significa che l'elettrone esterno più distante, molto probabilmente, sarà tra i "propri" elettroni nel guscio interno, che inizierà a reagire con gli elettroni esterni di un altro elemento.
Stato liquido di mercurio
Come l'oro, anche il mercurio presenta atomi pesanti con elettroni che orbitano vicino al nucleo. Quindi segue un aumento relativo di velocità e massa dovuto a una riduzione della distanza tra il nucleo e la particella carica.
I legami tra gli atomi di mercurio sono così deboli che il mercurio fonde a temperature inferiori rispetto ad altri metalli, ed è generalmente liquido nella maggior parte dei casi che si osserva nella vita di tutti i giorni.
Vecchi televisori e monitor
Non molto tempo fa, la maggior parte dei televisori e dei monitor erano dispositivi a raggi catodici. Un tubo a raggi catodici è un dispositivo che riproduce un'immagine ottica sparando elettroni in fasci o fasci di raggi su una superficie luminescente con un grande magnete. Ogni elettrone crea un pixel illuminato quando colpisce il retro dello schermo. Gli elettroni vengono lanciati ad una velocità elevata pari a circa il 30% della velocità massima, ovvero la velocità della luce.
Affinché si formasse un'immagine ottica funzionale, gli elettromagneti installati nell'apparato per dirigere gli elettroni verso la parte richiesta dello schermo dovevano tenere conto di vari effetti relativistici in modo da non disturbare l'intero sistema.
Hope Chikanchi
