La Teoria della Relatività Ristretta di Einstein

La teoria della relatività ristretta, elaborata da Albert Einstein nel 1905, rappresenta uno dei lavori più significativi mai prodotti nel settore della fisica. Questa teoria illustra come la velocità incida sulla massa, il tempo e lo spazio.

Essa comprende un metodo per stabilire la velocità della luce come punto di riferimento per il rapporto tra energia e materia: piccole quantità di massa (m) possono essere convertite in enormi quantità di energia (E), come espresso dall’equazione iconica E = mc^2.

La relatività ristretta è applicabile a “casi particolari” e viene utilizzata principalmente quando si affrontano grandi quantità di energia, velocità straordinarie e distanze cosmiche, il tutto senza l’intervento della gravità. Einstein ha introdotto ufficialmente la gravità nelle sue teorie nel 1915, con la pubblicazione del suo lavoro sulla relatività generale.

Quando un oggetto si avvicina alla velocità della luce, la sua massa tende all’infinito e di conseguenza anche l’energia necessaria per spostarlo. Questo implica che sia impossibile per qualsiasi tipo di materia superare la velocità della luce.

Tale limite cosmico di velocità stimola nuove aree di ricerca nel campo della fisica e della fantascienza, mentre gli individui riflettono sui viaggi attraverso distanze immense.

Com’era la fisica prima della Relatività Ristretta?

Prima dell’avvento di Einstein, gli astronomi (nella maggioranza dei casi) interpretavano l’universo basandosi sulle tre leggi del movimento proposte da Isaac Newton nel 1686. Tali leggi sono:

1. Gli oggetti in movimento o fermi rimangono nel medesimo stato, a meno che una forza esterna non determini un cambiamento. Questo principio è conosciuto anche come inerzia.
2. La forza esercitata su un oggetto equivale alla massa dell’oggetto moltiplicata per la sua accelerazione. In altre parole, si può calcolare quanta forza sia necessaria per muovere oggetti di diverse masse a diverse velocità.
3. Ogni azione corrisponde a una reazione uguale e opposta.

Secondo l’Enciclopedia Britannica, le leggi di Newton risultavano valide in quasi tutte le applicazioni della fisica e costituivano il fondamento della nostra comprensione della meccanica e della gravità.

Tuttavia, alcuni fenomeni, come la luce, non potevano essere spiegati attraverso il lavoro di Newton.

Per adattare il comportamento peculiare della luce all’ambito della fisica newtoniana, gli scienziati del XIX secolo ipotizzarono che la luce dovesse propagarsi attraverso un mezzo, denominato “etere luminoso”. Questo etere teorico doveva essere sufficientemente rigido da trasmettere le onde luminose come le corde di una chitarra vibrano con il suono, ma al contempo totalmente indistinguibile nei movimenti di pianeti e stelle.

Si trattava di un’ipotesi molto ambiziosa. I ricercatori iniziarono a cercare di identificare questo enigmatico etere, nella speranza di comprenderlo meglio. Nel 1887, come scrisse l’astrofisico Ethan Siegal sul blog scientifico di Forbes “Starts With a Bang“, il fisico Albert A. Michelson e il chimico Edward Morley calcolarono in che modo il movimento della Terra attraverso l’etere avrebbe influenzato la misurazione della velocità della luce, scoprendo inaspettatamente che la velocità della luce è costante, indipendentemente dal movimento terrestre.

Se la velocità della luce non varia a prescindere dal movimento della Terra nell’etere, dedussero, l’etere non deve esistere: la luce nello spazio si propaga attraverso il vuoto.

Ciò implicava che tale fenomeno non poteva essere spiegato dalla meccanica classica. La fisica aveva bisogno di un nuovo paradigma.

Come Einstein ha sviluppato la Relatività Ristretta?

Secondo Einstein, nel suo libro “Note autobiografiche” del 1949, il giovane fisico iniziò a interrogarsi sul comportamento della luce quando aveva solo 16 anni. In un esperimento mentale da adolescente, scrisse, immaginò di inseguire un raggio di luce.

La fisica classica implicherebbe che mentre l’immaginario Einstein accelerava per raggiungere la luce, l’onda luminosa alla fine raggiungerebbe una velocità relativa di zero – l’uomo e la luce si muoverebbero insieme alla stessa velocità, e potrebbe vedere la luce come un campo elettromagnetico congelato.

Ma, scrisse Einstein, questo contraddiceva il lavoro di un altro scienziato, James Clerk Maxwell, le cui equazioni richiedevano che le onde elettromagnetiche si muovessero sempre alla stessa velocità nel vuoto: 186.282 miglia al secondo (300.000 chilometri al secondo).

Il filosofo di fisica John D. Norton ha messo in discussione la storia di Einstein nel suo libro “Einstein per tutti” (Nullarbor Press, 2007), in parte perché come sedicenne, Einstein non avrebbe ancora incontrato le equazioni di Maxwell. Ma poiché appariva nelle sue stesse memorie, l’aneddoto è ancora ampiamente accettato.

Se una persona potesse, in teoria, raggiungere un raggio di luce e vederlo congelato rispetto al proprio movimento, la fisica nel suo insieme dovrebbe cambiare a seconda della velocità e del punto di vista della persona? Invece, Einstein raccontò, cercò una teoria unificata che avrebbe reso le regole della fisica le stesse per tutti, ovunque e in ogni momento.

Ciò, scrisse il fisico, portò alle sue eventuali riflessioni sulla teoria della relatività ristretta, che suddivise in un altro esperimento mentale: una persona è in piedi accanto a una linea ferroviaria confrontando le osservazioni di una tempesta di fulmini con una persona all’interno del treno. E poiché si tratta di fisica, ovviamente, il treno si muove quasi alla velocità della luce.

Einstein immaginò il treno in un punto della linea equidistante tra due alberi. Se un fulmine colpisse entrambi gli alberi contemporaneamente, la persona accanto alla linea vedrebbe colpi simultanei. Ma poiché si stanno muovendo verso un fulmine e lontano dall’altro, la persona sul treno vedrebbe il fulmine davanti al treno per prima e il fulmine dietro il treno dopo.

Einstein concluse che la simultaneità non è assoluta, o in altre parole, che eventi simultanei visti da un osservatore potrebbero accadere in tempi diversi dal punto di vista di un altro. Non è la velocità della luce che cambia, si rese conto, ma il tempo stesso che è relativo. Il tempo si muove diversamente per gli oggetti in movimento rispetto agli oggetti fermi. Nel frattempo, la velocità della luce, come osservata da chiunque, ovunque nell’universo, in movimento o non in movimento, è sempre la stessa.

Cosa significa E = MC^2?

Una delle formule più celebri e note nella storia dell’umanità, E = mc^2, si interpreta come “l’energia equivale alla massa moltiplicata per il quadrato della velocità della luce“. In altre parole, afferma PBS Nova, l’energia (E) e la massa (m) sono intercambiabili. Sono, infatti, soltanto differenti manifestazioni della medesima entità.

Tuttavia, non sono facilmente convertibili l’una nell’altra. Poiché la velocità della luce è di per sé un valore enorme, e la formula implica che essa sia moltiplicata per se stessa (ossia elevata al quadrato) per diventare ancor più grande, una piccola quantità di massa racchiude una vasta quantità di energia. Ad esempio, illustra PBS Nova, “se riuscissi a trasformare ogni atomo di una graffetta in energia pura – senza lasciare alcuna massa residua – la graffetta produrrebbe [un’energia equivalente a] 18 chilotoni di TNT. Questa è approssimativamente la potenza della bomba che devastò Hiroshima nel 1945”.

Dilatazione temporale

Una delle numerose conseguenze del lavoro di Einstein sulla teoria della relatività ristretta è che il tempo scorre in modo diverso a seconda dell’osservatore. Un oggetto in movimento subisce la dilatazione del tempo, il che implica che quando si muove ad alta velocità, il tempo trascorre più lentamente rispetto a quando è fermo.

Ad esempio, quando l’astronauta Scott Kelly ha passato quasi un anno a bordo della Stazione Spaziale Internazionale nel 2015, si muoveva molto più velocemente rispetto a suo fratello gemello, l’astronauta Mark Kelly, che ha trascorso quell’anno sulla superficie terrestre.

A causa della dilatazione del tempo, Mark Kelly ha invecchiato solo di pochi millisecondi in meno rispetto a Scott, come ha riferito il fratello rimasto sulla Terra. Poiché Scott non si muoveva a velocità prossime a quella della luce, la differenza nell’invecchiamento dovuta alla dilatazione del tempo era minima. Tuttavia, considerando lo stress e le radiazioni che l’astronauta ha subito a bordo della ISS, si potrebbe sostenere che Scott Kelly abbia in realtà accelerato il proprio processo di invecchiamento.

Tuttavia, a velocità vicine a quella della luce, gli effetti della dilatazione del tempo potrebbero essere molto più significativi. Immaginate una quindicenne che lascia la scuola superiore e viaggia al 99,5% della velocità della luce per cinque anni (secondo la percezione della giovane astronauta). Al suo ritorno sulla Terra, la ragazza avrebbe invecchiata di soli 5 anni trascorsi nello spazio. I suoi compagni di classe, invece, sarebbero diventati sessantacinquenni, poiché avrebbero trascorso 50 anni sul pianeta più lento.

Al momento, non disponiamo della tecnologia per viaggiare a tali velocità. Tuttavia, con la precisione delle attuali tecnologie, la dilatazione del tempo influisce effettivamente sull’ingegneria umana.

I dispositivi GPS funzionano determinando una posizione sulla base della comunicazione con almeno tre satelliti in orbita terrestre. Tali satelliti devono tenere traccia del tempo con estrema precisione per localizzare una posizione sulla Terra, e quindi utilizzano orologi atomici.

Tuttavia, poiché questi orologi atomici sono a bordo di satelliti che si spostano nello spazio a 14.000 km/h, la relatività ristretta fa sì che accumulino un extra di 7 microsecondi, o 7 milionesimi di secondo, al giorno, secondo la pubblicazione della American Physical Society, Physics Central. Per sincronizzarsi con gli orologi terrestri, gli orologi atomici sui satelliti GPS devono sottrarre 7 microsecondi ogni giorno.

Tenendo conto degli effetti aggiuntivi della relatività generale (l’estensione della teoria della relatività ristretta che include la gravità), gli orologi più vicini al centro di una grande massa gravitazionale come la Terra avanzano più lentamente di quelli più distanti.

Questo effetto aggiunge microsecondi a ogni giorno su un orologio atomico GPS, quindi alla fine gli ingegneri sottraggono 7 microsecondi e ne aggiungono altri 45. Gli orologi GPS non passano al giorno successivo fino a quando non hanno funzionato per un totale di 38 microsecondi più a lungo rispetto agli orologi comparabili sulla Terra.

La relatività ristretta e la meccanica quantistica

La teoria della relatività ristretta e la meccanica quantistica sono due dei concetti più ampiamente riconosciuti riguardo al funzionamento del nostro universo. Tuttavia, la relatività ristretta riguarda principalmente distanze, velocità e oggetti di dimensioni estreme, integrandoli in un modello “omogeneo” dell’universo.

Gli eventi nella relatività ristretta (e generale) sono continui e deterministici, ha scritto Corey Powell per The Guardian, il che implica che ogni azione genera una conseguenza diretta, precisa e locale. Questo si differenzia dalla meccanica quantistica, ha aggiunto Powell: la fisica quantistica è “a grana”, con eventi che si verificano in salti o “salti quantici” che presentano risultati probabilistici, non definiti.

Gli studiosi che combinano la relatività ristretta e la meccanica quantistica – il liscio e il granuloso, il molto grande e il molto piccolo – hanno sviluppato ambiti come la meccanica quantistica relativistica e, più di recente, la teoria quantistica dei campi per approfondire la comprensione delle particelle subatomiche e delle loro interazioni.

Gli scienziati che tentano di collegare la meccanica quantistica e la relatività generale, invece, vedono questo come uno dei grandi problemi irrisolti della fisica. Per decenni, molti hanno ritenuto la teoria delle stringhe come l’ambito di ricerca più promettente per una teoria unificata dell’intera fisica. Ora esistono molte altre teorie. Ad esempio, un gruppo propone anelli spazio-temporali per collegare il piccolo e granuloso mondo quantistico con l’ampio universo relativistico.

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A cura di Ufoalieni.it

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