Teoria della relatività di Einstein provata una seconda volta

La teoria della relatività generale di Albert Einstein è stato provata di nuovo – e, questa volta, i fisici hanno appurato quanto è precisa: eventuali deviazioni dalla sua teoria sono così piccole che avrebbero cambiato i calcoli solo una parte su 10.000 per un parte a 100.000.

Di volta in volta, esperimenti hanno dimostrato la teoria di Einstein della relatività generale, che descrive il modo in cui si comporta la gravità, soprattutto quando si tratta di alte velocità e grandi masse. Nel nuovo studio, i fisici hanno esaminato sputi di dati sulle orbite planetarie per cercare piccole anomalie che non possono essere spiegate dalla teoria di Isaac Newton sulla gravità – in cui la gravità è una forza tra gli oggetti che dipende dalla loro massa – o la teoria della relatività generale di Einstein, che dice che la gravità è una deformazione dello spazio – tempo stesso.

E la teoria di Einstein regge, ancora una volta.

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La simmetria di Lorentz

Nel nuovo test, un team internazionale di scienziati guidati da Aurelien Hees, un matematico della Rhodes University in Sud Africa, ha analizzato le violazioni della cosiddetta simmetria di Lorentz o invarianza di Lorentz, una parte fondamentale di entrambe le teorie speciale e generale della relatività. Questo principio afferma chwe leggi fisiche hanno lo stesso aspetto a prescindere dalla vostra velocità o orientamento. Ad esempio, uno scienziato in un razzo in movimento in linea retta a velocità costante vedrebbe che i suoi esperimenti danno gli stessi risultati come se fosse in una stanza sulla Terra. Si può sperimentare ciò su un aereo: senza la turbolenza o le vibrazioni dai motori, non è possibile dire se l’aereo si sta muovendo o no, senza un finestrino.

Una conseguenza della simmetria di Lorentz è che la gravità non ha una direzione preferita. La gravità della Terra tira su di voi nello stesso modo se si lancia un razzo dalla Russia o negli Stati Uniti, dal Polo Nord o dal Polo Sud. Questo non si riferisce alle differenze a causa della forma della Terra, proprio la gravità, che tira sempre verso il centro di massa.

Le orbite planetarie possono essere utilizzate per verificare eventuali violazioni della simmetria. In questo momento, le orbite sono calcolate utilizzando le leggi di Newton con una correzione per la relatività generale. Se la simmetria di Lorentz viene violata, le orbite saranno diverse.

Quelle stesse orbite sono state utilizzate per dimostrare che la relatività generale è corretta. Nel 1859, gli astronomi hanno notato che l’orbita di Mercurio stava cambiando il suo orientamento nel tempo – un processo chiamato precessione. Tutti i pianeti vanno intorno al sole in ellissi piuttosto che cerchi perfetti, e l’asse lungo dell’ellisse gira lentamente attorno ai pianeti a vicenda. Ma dell’orbita di Mercurio si muoveva più veloce di quanto le equazioni di Newton avessero previsto, anche quando si rappresentava la leggera trazione da tutti gli altri pianeti. La differenza era piccola – solo un centesimo di grado ogni secolo – ma era lì.

A quel tempo, alcuni scienziati hanno previsto che un altro pianeta dovesse risiedere all’interno dell’orbita di Mercurio. Nessuno ha trovato Vulcano, però, quindi era chiaro che qualcosa non andava. Nel 1915, Einstein ha risolto il problema, senza la necessità dell’ipotetico pianeta. La relatività generale è stato in grado di tenere conto di quella piccola differenza dalle leggi di Newton.

La forma delle orbite planetarie

Per cercare una violazione della simmetria di Lorentz, la squadra di Hees ‘esaminò i dati e le analisi di anni di osservazioni delle distanze tra i pianeti e la luna, come misurato da sonde spaziali, osservatori terrestri ed esperimenti a raggio laser, quest’ultimo dall’ Integrateur Numérique planétaire de l’Observatoire de Paris (INPOP). Di particolare interesse è stato come l’orbita ellittica di ciascun pianeta si sposta nel tempo.

Le orbite intorno al sole sono tutte un po’ inclinate rispetto all’orbita della Terra. Il punto in cui il pianeta attraversa l’orbita della Terra da sud a nord è chiamato nodo ascendente. Hees e il suo team hanno esaminato l’angolo tra il punto in cui il pianeta fa il suo massimo avvicinamento al sole e il nodo ascendente. Il quale cambia angolo di piccole quantità, dal momento che ogni pianeta viene attirato dalla gravità di altri pianeti.

Questo è lo stesso tipo di osservazione che ha rivelato la discrepanza dell’orbita di Mercurio nel 19 ° secolo, e molti gruppi di scienziati hanno cercato di rilevare gli effetti ancora più piccoli della relatività generale su altri pianeti, come Venere, Marte, Giove, Saturno e anche Terra. Ora, gli scienziati possono spiegare la relatività generale e aggiungere le lievi correzioni delle leggi del moto di Newton.

La squadra di Hees ha utilizzato tutti i dati per capire quanto sia precisa la teoria di Einstein, e di determinare dove cercare eventuali violazioni. Se ci fosse alcuna violazione della simmetria di Lorentz, le forme delle ellissi che descrivono le orbite dei pianeti, chiamati eccentriche, dovrebbero cambiare. Inoltre, le inclinazioni orbitali – i “tilt” relativi all’orbita terrestre – dovrebbero cambiare in modi che non sono contabilizzati dalla teoria di Newton con correzioni della relatività generale.

Per quantificare la differenza tra le attuali previsioni della relatività generale e le osservazioni reali, i fisici usano numeri chiamati coefficienti di estensione del modello standard o PMI, che dovrebbe essere pari a zero se la relatività e le leggi di Newton tenessero conto di tutti i movimenti di ciascun pianeta.

Le PMI non erano necessariamente a zero, se fossero veramente piccole, con intervalli di 10 ^ -9 (una su un miliardo) a 10 ^ -12 (uno in un trilione), il che significa che concordano con le leggi di Einstein ad almeno un parte su 10.000 a una parte su 100.000. La cosa importante, Hees ha osservato, è che la gamma ti dice quali sono i limiti di ogni nuova teoria fisica.

“Noi non sappiamo veramente dove qualche deviazione può apparire”, ha detto Hees a LiveScience. “Deve essere inferiori ai limiti attuali, però.”

Una nuova Fisica

Questo può sembrare un sacco di lavoro per testare una teoria che è stata dimostrata più e più volte corretta. Tuttavia, tali test sono importanti per trovare nuove teorie al di là della relatività generale.

“Hanno messo insieme decenni di dati dei moti planetari per cercare deviazioni dalla simmetria di Lorentz, una pietra miliare di entrambi [relatività ristretta e generale] del Modello Standard della fisica delle particelle”, ha detto Paul M. Sutter, astrofisico presso l’Ohio State University che non è stato coinvolto nel nuovo studio.

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