La teoria della relatività ristretta di Einstein spiegata al mio cane

La teoria della relatività ristretta, o teoria della relatività speciale, fu formulata da Einstein attorno al 1905, nel tentativo di spiegare le contraddizioni insite nella fisica classica, per essere applicata ai sistemi che si muovono di moto rettilineo uniforme. In seguito venne estesa, attraverso la teoria della relatività generale, e venne applicata ai sistemi in moto qualunque. 

Sono ormai passati 110 anni da quando questa legge è stata enunciata, ma sembra che solo pochi addetti ai lavori e fisici di mestiere ne conoscano le effettive applicazioni. Un patrimonio che è davvero un peccato lasciare nell’oblio. Proviamo quindi a spiegare la teoria della relatività ristretta di Einstein con parole semplici e a renderla comprensibile proprio a tutti, in meno di 3 minuti!

La teoria della relatività ristretta di Einstein

Nel 1905, Albert Einstein pubblicò la teoria della relatività ristretta, che spiega come interpretare il movimento tra i diversi sistemi di riferimento inerziali – che non sono altro che luoghi in cui gli oggetti si muovono a velocità costante l’uno rispetto all’altro. La teoria della relatività ristretta tratta quindi i fenomeni che avvengono in sistemi di riferimento inerziali e si basa essenzialmente su due postulati fondamentali.

Einstein ha spiegato che quando due oggetti si muovono a velocità costante, si può avere anche un movimento relativo tra i due oggetti, invece di un movimento assoluto, senza ricorrere all’etere come ad un sistema di riferimento assoluto che definisce cosa succede.

Facciamo un esempio. Se tu e un astronauta di nome Ambrogio vi muovete su diverse astronavi e desiderate confrontare le vostre osservazioni sullo spazio, ciò che conta è quanto velocemente tu e Ambrogio vi spostate l’uno rispetto all’altro, non quanto tu e Ambrogio vi spostate velocemente in relazione allo spazio che vi circonda preso come sistema di riferimento assoluto.

La relatività ristretta o speciale comprende solo il caso particolare (da cui trae il suo nome), in cui il moto è uniforme. Il movimento si spiega solo se si viaggia in linea retta a velocità costante. Non appena si accelera o si fa una curva – o si fa qualcosa che cambia la natura del moto in qualsiasi modo – la teoria della relatività speciale cessa di applicarsi. Ecco quindi che entra in gioco la teoria della relatività generale di Einstein, perché può spiegare il caso generale di qualsiasi tipo di moto.

La teoria di Einstein si basa su due principi fondamentali:

Il principio della relatività: Le leggi della fisica non cambiano, anche per oggetti in movimento in sistemi di riferimento inerziali (cioè che si muovono a velocità costante) presi come punti di riferimento.
Il principio della velocità della luce: La velocità della luce è la stessa per tutti gli osservatori, indipendentemente dal loro moto rispetto alla sorgente luminosa. I veri fisici, per descrivere questa velocità, utilizzano il simbolo c. 

Il lato geniale della scoperta di Einstein è che, realizzando diversi esperimenti dimostrò che le sue scoperte erano vere. Questo fatto segnò l’esatto contrario di quello che erano soliti fare gli altri fisici. Invece di ritenere che la teoria era corretta e che gli esperimenti erano falliti, Einstein ha ritenuto che gli esperimenti erano corretti e che la teoria non era veritiera.

Nella seconda parte del 19 ° secolo, i fisici stavano cercando un elemento misterioso chiamato etere – il mezzo che hanno creduto esistesse nella luce e nelle onde luminose e che permettesse loro di passare attraverso le cose. La credenza nell’esistenza dell’etere aveva provocato un sacco di conseguenze negative, secondo il punto di vista di Einstein, tra cui l’introduzione di un mezzo che faceva in modo che alcune leggi della fisica funzionassero in modo diverso a seconda di come l’osservatore venisse disposto rispetto all’etere stesso.

Einstein, invece, dopo aver rimosso e abolito completamente l’esistenza dell’etere, ha affermato che le leggi della fisica, tra cui quella sulla velocità della luce, funzionano allo stesso modo a prescindere da come un corpo si sta muovendo – esattamente come gli esperimenti e la matematica hanno dimostrato che sia!

L’unificazione di spazio e tempo

La teoria della relatività ristretta o speciale di Einstein ha creato un legame fondamentale tra spazio e tempo. L’universo può essere descritto come basato su un insieme di tre dimensioni spaziali – su / giù, sinistra / destra, avanti / indietro – e su una dimensione temporale. Questo spazio a 4 dimensioni o quadri-dimensionale è denominato spazio-tempo.

Se ci si sposta abbastanza velocemente attraverso lo spazio, le osservazioni che si fanno su spazio e tempo differiscono in parte dalle osservazioni delle altre persone, che si muovono a velocità diverse.

È possibile verificare questo concetto anche da soli attraverso la comprensione dell’esperimento rappresentato nella figura sottostante.

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Immagina di essere su una navicella spaziale, con in mano un laser in grado di sparare un fascio di luce in alto, sopra la tua testa, così da colpire uno specchio che hai precedentemente posizionato sul soffitto. Il fascio di luce poi torna giù e colpisce un rivelatore.

Voi, all’interno della vostra navicella, vedrete quindi un fascio di luce salire in verticale, rimbalzare sullo specchio, e poi tornare giù verso il basso. Il tutto in posizione perpendicolare. Ambrogio, invece, se vedesse lo stesso fascio di luce nel corso del suo viaggio a bordo di un’altra navicella che viaggia a velocità diversa dalla vostra, lo vedrebbe effettuare un percorso diagonale.

La tua navicella, invece, viaggia a una velocità costante pari alla metà della velocità della luce (ovvero 0,5 c, come scriverebbero i veri fisici). Secondo Einstein, questo non fa alcuna differenza per voi – non si può nemmeno dire che la navicella si sta spostando. Invece, se fosse l’astronauta Ambrogio a spiarvi e a vedere cosa accade nella vostra navicella, come rappresentato nella parte inferiore della figura, la storia sarebbe completamente diversa.

L’astronauta Ambrogio avrebbe infatti visto il tuo fascio di luce andare verso l’alto lungo un percorso diagonale, colpire lo specchio, e poi viaggiare verso il basso lungo un percorso diagonale, prima di colpire il rivelatore. In altre parole, tu e Ambrogio vedreste diversi percorsi per lo stesso fascio di luce e, soprattutto, quei percorsi non saranno nemmeno della stessa lunghezza. Ciò significa che il tempo necessario al fascio di luce per passare dal laser, allo specchio, al rivelatore deve essere diverso per te e per Ambrogio, in modo che si sia d’accordo almeno sulla velocità della luce.

Questo fenomeno è noto come dilatazione temporale, in quanto il tempo su una navicella che si muove molto rapidamente sembra passare più lentamente che sulla Terra.

Per quanto strano possa sembrare, questo esempio (e molti altri) dimostrano che nella teoria della relatività di Einstein, lo spazio e il tempo  sono intimamente collegati tra loro. Se si applicano le equazioni di trasformazione di Lorentz, queste confermano che la velocità della luce è perfettamente costante per entrambi gli osservatori.

Questo strano comportamento dello spazio e del tempo è evidente solo quando si viaggia quasi alla velocità della luce, in un modo che nessuno aveva mai osservato prima. Esperimenti condotti a partire dalla scoperta di Einstein hanno confermato che ciò è vero – cioè tempo e spazio vengono percepiti in modo diverso, esattamente come Einstein ha descritto, per oggetti in movimento che si muovono ad una velocità vicina a quella della luce.

L’unificazione di massa e energia

L’opera più famosa della carriera di Einstein come fisico e come scienziato risale sempre al 1905 (un anno molto impegnativo per lui!), quando ha applicato le idee della sua teoria della relatività alla formula simboleggiata dall’equazione E = mc2, che rappresenta il rapporto tra la massa (m) e l’energia (E).

In poche parole, Einstein scoprì che quando un oggetto si avvicina alla velocità della luce, c, la massa dell’oggetto, aumenta. L’oggetto va più veloce, ma diventa anche più pesante. Se fosse effettivamente in grado di muoversi alla velocità c, la massa dell’oggetto e l’energia sarebbero entrambi infiniti. Un oggetto più pesante è più difficile da accelerare, quindi è impossibile effettivamente far muovere una particella fino alla velocità di c, la velocità della luce.

Fino ad Einstein, i concetti di massa ed energia sono stati sempre visti come completamente separati. Lui ha invece dimostrato che i principi di conservazione della massa e risparmio dell’energia sono parte dello stesso grande, principio unificato, il principio della conservazione della massa-energia. La materia può essere trasformata in energia e l’energia può essere trasformata in materia, poiché esiste un collegamento fondamentale tra i due tipi di elementi.

Via | dummies

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