Teoria della relatività: cos’è e perché ha cambiato la storia

La teoria della relatività di Albert Einstein ha rivoluzionato la storia dell’umanità. Una scoperta che ha profondamente cambiato il modo di vedere l’universo il tempo e lo spazio. Una famosa equazione, un dilemma infinito e un genio della scienza, per spiegare questa teoria c’è bisogno di questi elementi e di molto altro. Leggi l’articolo per scoprire di più.

La scoperta di Einstein

Prima di Einstein il tempo e lo spazio e la cosiddetta relatività erano state abbondantemente teorizzate da Galilei. Le scoperte dello scienziato tedesco furono davvero sorprendenti, ma per comprenderle fino in fondo bisogna soffermarsi sui concetti con attenzione.

Forse è più semplice capire la teoria di Einstein facendo un esempio.

Hai presente quando sei seduto sul treno fermo al binario e il treno accanto parte dandoti la sensazione che sia il tuo treno a muoverti? La sensazione scompare solo quando osservi la stazione e ti rendi conto che non è così. Questo esempio ci permette di affermare che il movimento non è un concetto assoluto, ma relativo all’osservatore.

Lo studio dei corpi in movimento si può eseguire solo se si possiedono gli strumenti adatti, un metro e un orologio potrebbero essere un buon punto di partenza. Scegliendo un punto di riferimento si potrà di conseguenza far partire da esso una terna di assi orientati nello spazio dai quali si possono misurare le distanze. Stabilito il momento iniziale si può procedere allo studio degli intervalli di tempo. Il punto di riferimento è sempre cruciale. Tornando all’esempio del treno fermo in stazione: se il viaggiatore dovesse studiare il movimento di un oggetto sferico sul pavimento non avrebbe senso guardare fuori dal finestrino per avere come punto di riferimento la stazione, ma dovrà scegliere un punto di riferimento fermo rispetto al pavimento.

Prima di Einstein: la relatività di Galileo

Ti abbiamo già detto che il caro vecchio Albert si era addentrato in un territorio già battuto in precedenza da Galileo. Nel Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo Galileo descrive una nave che si muove velocemente e sempre nella medesima direzione. Anche in questo caso i passeggeri guardano fuori dal finestrino ma come fanno a capire se la nave è ferma e la terra si muove? Una biglia andrebbe perfettamente in linea retta se lanciata sul pavimento, esattamente come farebbe al porto, sulla terraferma. La nave, d’altronde, procede a velocità costante seguendo una traiettoria rettilinea e pertanto le leggi della meccanica non variano in alcun modo e mantengono inalterate le stesse identiche dinamiche. La nave è un sistema di riferimento inerziale, se vogliamo soffermarci sui principi della fisica e in particolare sul principio d’inerzia.

Le leggi estrapolate da Galileo attraverso le sue osservazioni vengono chiamate trasformazioni di Galileo, e riguardano i cambiamenti di coordinate spaziali di un corpo che passa da un riferimento inerziale a un altro. La teoria di fondo sostiene che il tempo sia un’unità di misura universale. Il tempo stesso è una convenzione, per cui se tutti sincronizzassimo i nostri orologi questi andrebbero avanti tutti insieme seguendo lo stesso ritmo, al di là del punto in cui si trovano.

Se in questa ipotetica situazione aggiungiamo una variabile, ad esempio una tempesta, è fuori di dubbio che i passeggeri non se ne renderanno conto, le virate e le oscillazioni darebbero l’occasione per comprendere il moto anche senza un’osservazione all’esterno. In condizione di non inerzia, ma ad esempio in questo caso in cui la nave si trova sotto un sistema chiamato accelerato pertanto non vale il principio di inerzia.

La teoria della relatività: tutto cambia

I principi della relatività secondo Einstein sono due:

• Le leggi della fisica non cambia quando si passa da un sistema inerziale a un altro
• La velocità della luce nel vuoto ( c ) non cambia a seconda della posizione dell’osservatore, non dipende dalla velocità della sorgente ed è la massima raggiungibile.

Questi due concetti, semplici e tanto complessi al tempo stesso hanno ribaltato l’idea che l’uomo si era fatto di spazio e tempo. Diamo una risposta al quesito che solleva il titolo di questo articolo “perché la relatività ha cambiato la storia?” Ma prima di dare una risposta vera e propria dobbiamo illustrare un altro ipotetico esperimento.

Siamo sempre in stazione, sempre dentro il fatidico treno. Sul soffitto di questo treno è stato montato un dispositivo luminoso che emette un impulso di luce diretto verso un sensore posizionato sul pavimento. Un visitatore sul treno vuole misurare il tempo che intercorre tra l’emissione dell’impulso e la ricezione da parte del sensore.

Aggiungiamo un’altra variabile: c’è un altro osservatore fermo sulla banchina.

• L’intervallo di tempo dell’osservatore sul treno è ∆ttreno
• L’intervallo di tempo dell’osservatore in stazione è ∆tstazione

Il primo dovrà calcolare l’altezza del vagone ( h ) e calcolare il tempo tramite questa equazione, mentre il secondo non dovrà solo calcolare l’altezza del vagone ma anche un tratto orizzontale perché il treno sta transitando con velocità costante rispetto alla banchina.

Quindi, per queste due diverse situazioni abbiamo due equazioni diverse:

• ∆ttreno =h/c
• ∆x=V ∆tstazione

La faccenda si fa sempre più complessa, l’impulso ha un percorso complessivo h’ che può essere calcolato anche grazie al teorema di Pitagora con la seguente formula

 

 

 

Inoltre la luce ha una velocità c che è riferimento anche per l’osservatore in banchina, per cui il tempo per raggiungere il sensore può essere calcolato così

 

 

 

 

Sostituendo in questa equazione la parte relativa all’osservazione del treno otteniamo la seguente formula

 

 

 

 

 

L’assunto più rivoluzionario che emerge da queste considerazione è il fatto che l’osservatore sul treno e quello in stazione hanno un tempo misurato dall’orologio diverso. Questo tempo cambia in modo ancora più marcato quando il treno si avvicina alla velocità della luce.

Cinque motivi per amare Albert Einstein

Sono passati più di cento anni dalla scoperta dell’equazione di campo alla base della teoria più famosa di Einstein, quella della relatività generale. Non solo ha rivoluzionato la fisica moderna, ma ha avuto un effetto domino su tutti gli altri settori, dall’ingegneria all’informatica, dalla medicina fino alla filosofia, tutto ciò che è scienza si è evoluto, sulla spinta di una nuova consapevolezza dello spazio e del tempo.

Perché bisogna ancora amare Einstein ed essergli grati a distanza di tanto tempo? Perché ancora parlare di relatività?

Perché abbiamo imparato a comprendere che nessuna informazione può trasmettersi istantaneamente o più velocemente della luce, e lo abbiamo scoperto grazie alla relatività ristretta di Einstein.

La nuova concezione di spazio e tempo legata alla geometria è il fulcro della relatività generale. Grazie ad essa la forza gravitazionale è la manifestazione di un nuovo elemento lo spazio-tempo, che possiede quattro dimensioni insieme (tre spaziali e una temporale). Il nostro universo risiede lì.

La straordinarietà dell’apporto di Einstein sta nel fatto che all’epoca dei suoi studi mancavano molti strumenti matematici utili all’osservazione, ma nonostante tutto la teoria rivoluzionaria fu così minuziosamente precisa che consentì addirittura la predizione della precessione del perielio di Mercurio.

La famosissima equazione di campo non è facile da risolvere, anzi è piuttosto ardua. Anche perché non si tratta di un’unica equazione, ma di un sistema di dieci equazioni differenziali parziali. Uno dei primi a risolverla fu Karl Schwarzschild nel 1916, anche se fu in grado di individuare una soluzione parziale, valida solo per determinate situazioni. In ogni caso questa soluzione è stata utilizzata come base per lo studio dei buchi neri e resta tuttora una delle più importanti.