La teoria della relatività spiegata semplice (con l'aiuto di Spok)

Viviamo in un periodo di grandi scoperte e teorie interessanti, ma nessuno ce le spiega. Pertanto, per molti di noi, rimangono concetti astratti, di cui conosciamo il nome ma non la sostanza. Con questo articolo vorrei dare il via a una serie di guide veloci su molti temi che vorremmo conoscere ma che, purtroppo, nemmeno da Google riusciamo a ottenere risposte semplici e immediate.

Partiamo con la teoria della relatività che, in realtà, sono due. :)

Indice dei contenuti

Teoria della relatività ristretta

Nel 1905, Albert Einstein ha determinato che le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori non in movimento1Per comprendere il concetto immaginiamo che un osservatore definito "non in movimento" sia una persona immobile nello spazio (cosa in realtà impossibile in quanto tutto è in movimento, ma non complichiamo le cose)., e che la velocità della luce nel vuoto è sempre la stessa, indipendentemente dalla velocità alla quale un osservatore si muove.2Esempio pratico:

Se la terra (come effettivamente fa) viaggia nello spazio verso la costellazione del Leone a 390 Km al secondo, e io sto correndo in auto a (ipotizziamo) 10 Km/s nella direzione opposta, dal mio punto di vista la velocità della terra è di 380 Km/s. Ma in realtà la sua velocità assoluta rimane di 390 Km/s. Idem per la luce.

Dello stesso anno è la famosa formula:

E=mc²

con cui Einstein ha rappresentato la relazione tra la massa (m) e l'energia (E).3Più in dettaglio:

E: rappresenta l'energia meccanica, potenziale più cinetica, espressa in joule (= N·m = W·s = kg·m²/s²);

m: rappresenta la massa a riposo, espressa in chilogrammi (kg);

c: rappresenta la velocità della luce, espressa in m/s: 299.792.458 m/s, generalmente approssimata a 300.000.000 m/s (3 x 108 m/s). Pertanto c² = 9 × 1016 m²/s².

Semplificando, più un oggetto si avvicina alla velocità della luce (c), più la sua massa aumenta. Si muove più velocemente ma diventa, di conseguenza, più pesante. Se fosse teoricamente possibile fargli raggiungere la velocità della luce, la sua massa e l'energia richiesta diventerebbero entrambe infinite.4Perché si evince facilmente che, per accelerare un oggetto di peso infinito, è ovviamente necessaria una quantità di energia ugualmente infinita. Ciò chiaramente non è possibile pertanto la velocità della luce rimane un limite irraggiungibile.

Prima di Einstein i concetti di massa ed energia erano visti come entità completamente separate. Lui ha dimostrato che i principi di conservazione della massa e dell'energia fanno parte di un unico, più largo, principio di conservazione di massa-energia. La materia può essere trasformata in energia e l'energia può essere trasformata in materia perché esiste una connessione fondamentale tra i due elementi.

Teoria della relatività generale

I postulati della teoria della relatività ristretta sono validi unicamente nel caso di un movimento in linea retta e a velocità costante. Nel momento in cui si accelera, si curva o si fa qualsiasi cosa che modifichi la natura uniforme di tale movimento, tali regole non sono più valide.
Einstein ha quindi impiegato i successivi 10 anni per includere l'accelerazione e ha pubblicato la teoria della relatività generale nel 1915.
Qui le cose si fanno un po' più complicate ma farò del mio meglio per mantenere i concetti semplici.
Nella teoria della relatività generale, Einstein dimostra che il tempo e lo spazio sono strettamente correlati tra loro in una condizione definita spazio-tempo (anche detta a quattro dimensioni). Eventi che si verificano in un determinato periodo di tempo per un osservatore, potrebbero verificarsi in momenti diversi per un'altro che si trova in una differente posizione.5Prendiamo la trasformazione di una stella in una supernova. Se io mi trovassi a 10 Km di distanza vedrei l'evento accadere immediatamente. Un'altra persona, a distanza di 1 anno luce, lo noterebbe tra un anno. Ma di fatto l'esplosione avviene nello stesso momento per tutti.

Per avere un'idea più chiara di questa relazione (e per essere maggiormente passibili di violazione dei diritti d'autore), facciamo un esempio utilizzando la nostra serie TV fantascientifica preferita.

Spok si trova sull'Enterprise e sta viaggiando nello spazio alla metà della velocità della luce. Ha in mano un puntatore laser orientato sopra la propria testa. Questo, riflettendosi su uno specchio sul soffitto, verrà rilevato da un sensore posizionato sul pavimento.

Per lui — dice Einstein — il fatto che la nave della Federazione stia viaggiando a una velocità incredibile non fa alcuna differenza, non si accorge nemmeno di essere in movimento.
Mettiamo però che in quello stesso momento il capitano Kirk, in vacanza sul pianeta Vattelapesca1337, stia osservando il passaggio dell'Enterprise. Dal suo punto di vista sarebbe tutto un altro paio di maniche.

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Lui non vedrebbe un raggio che sale e scende verticalmente ma ne vedrebbe uno che, invece, si muove lungo una linea diagonale, arriverebbe allo specchio e verrebbe riflesso, sempre diagonalmente, fino a raggiungere il sensore. In altre parole, Spok e Kirk vedono un differente percorso della luce e, cosa più importante, i due percorsi non hanno nemmeno la stessa lunghezza. Dal momento che la velocità della luce è una costante questo significa che il tempo che il raggio impiega per andare dal laser allo specchio e dallo specchio al sensore deve per forza di cose essere differente per entrambi.

Tale fenomeno è conosciuto come dilatazione temporale: il tempo su un'astronave che si muove molto velocemente passa più lentamente che sulla Terra (o qualunque altro punto fermo).6O in movimento ma a velocità inferiore, eccetera eccetera…

Mentre lavorava alle equazioni della teoria della relatività generale, Einstein si rese conto che oggetti di grandi dimensioni provocano una distorsione nello spazio-tempo e tale fenomeno viene percepito come gravità.7Due (o più) oggetti esercitano una forza di attrazione l'un l'altro. Nonostante la Terra ti attragga verso il suo centro, mantenendoti con i piedi ben saldi a terra, in realtà anche la tua massa attira la Terra verso di te, benché con molta meno forza. Questo dimostra in modo inequivocabile che anche Monica Bellucci è inevitabilmente attratta da me (grazie Isaac Newton). :D
Immaginiamo di posizionare un grosso sasso al centro di un trampolino per i salti. Questo distorce la superficie provocandone una deformazione verso il basso. Lanciando una biglia lungo il bordo questa verrebbe attratta verso il sasso, rotolando a spirale, in modo più o meno simile al quale i pianeti attirano piccoli asteroidi che entrano nella loro orbita (causata anch'essa, guarda caso, dall'attrazione gravitazionale).

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Un esempio pratico è dato dalla Croce di Einstein, nome attribuito a un gruppo di corpi celesti formato da una galassia e da un quasar8Un quasar (contrazione di QUASi-stellAR radio source, radiosorgente quasi stellare) è un nucleo di galassie lontanissime — che, di conseguenza, noi osserviamo nella fase iniziale della loro vita — molto luminose, che ospitano al loro centro un gigantesco buco nero, la cui massa può superare il miliardo di volte quella del Sole. che si trovano a una distanza rispettivamente di 400 milioni e 8 miliardi di anni luce da noi. La loro particolarità è risultare sovrapposti se osservati dalla Terra.
Ai nostri telescopi (in realtà a Hubble, che ha scattato la foto), di questo quasar, arrivano quattro immagini contemporaneamente9Più, come bonus, l'immagine reale al centro, ma parzialmente coperta dalla galassia e, pertanto, meno luminosa. a causa dell'intensa gravità della galassia di fronte che piega gravitazionalmente la sua luce.
Questo fenomeno è denominato lente gravitazionale e permette agli astronomi di intuire la presenza di numerosi oggetti che, per svariati motivi, non sono visibili in modo diretto.

Riassumendo e semplificando (molto)

La teoria della relatività ristretta dimostra che nulla può viaggiare a una velocità superiore a quella della luce.

La teoria della relatività generale afferma che un corpo dotato di massa crea una distorsione (o ancora meglio una curvatura) dello spazio-tempo. Questa distorsione fa sì che ogni oggetto che vi transita venga attratto verso il corpo che l'ha generata.

Einstein ha rivoluzionato la fisica moderna e poi ha vinto il premio Nobel per aver definito la legge dell'effetto fotoelettrico10Il fenomeno fisico caratterizzato dall'emissione di elettroni da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica. che, sembra niente, ma ha posto le basi per lo sviluppo della fisica quantistica (che abbiamo già affrontato in questo articolo).

Fonti

Nota: Lo scopo di questo post nasce dall'esigenza di spiegare in pochi minuti nozioni estremamente complesse, non ha pertanto la pretesa di rappresentare una seria divulgazione scientifica. Mi si perdonino piccoli o grandi errori nell'esposizione dei concetti.

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