La teoria della relatività speciale, pubblicata nel 1905 da Einstein e un'importante generalizzazione di una serie di ipotesi precedenti, è una delle più risonanti e discusse in fisica.
In effetti, è difficile immaginare che quando un oggetto si muove a una velocità prossima a quella della luce, i processi fisici inizino a procedere per esso in un modo del tutto insolito: la sua lunghezza diminuisce, la sua massa aumenta e il tempo rallenta. Immediatamente dopo la pubblicazione, iniziarono i tentativi di screditare la teoria, che continuano ancora oggi, sebbene siano trascorsi più di cento anni. Questo non sorprende, perché la domanda su che ora sia ha a lungo preoccupato l'umanità e ha attirato l'attenzione di tutti.
Cos'è il relativismo
L'essenza della meccanica relativistica (è anche la teoria della relatività speciale, di seguito denominata SRT) e la sua differenza dalla meccanica classica è espressa in modo vivido dalla traduzione diretta del suo nome: il latino relativus significa "relativo". SRT postula l'inevitabilità della dilatazione del tempo per un oggetto mentre si muove rispetto a un osservatore.
La differenzadi questa teoria, proposta da Albert Einstein, dalla meccanica newtoniana e risiede nel fatto che tutti i processi in corso possono essere considerati solo relativi l'uno all' altro oa qualche osservatore esterno. Prima di descrivere cos'è la dilatazione relativistica del tempo, è necessario approfondire un po' la questione della formazione della teoria e determinare perché la sua formulazione è diventata possibile e persino obbligatoria.
Le origini della relatività
Entro la fine del 19° secolo, gli scienziati arrivarono a capire che alcuni dati sperimentali non rientravano nel quadro del mondo basato sulla meccanica classica.
Le contraddizioni fondamentali hanno portato a tentativi di combinare la meccanica di Newton con le equazioni di Maxwell che descrivono il movimento delle onde elettromagnetiche nel vuoto e nei mezzi continui. Si sapeva già che la luce è proprio un'onda del genere, e dovrebbe essere considerata nell'ambito dell'elettrodinamica, ma era estremamente problematico discutere con la meccanica visiva e, soprattutto, collaudata nel tempo.
La contraddizione, tuttavia, era ovvia. Supponiamo che una lanterna sia fissata davanti a un treno in movimento, che brilla in avanti. Secondo Newton, le velocità del treno e la luce proveniente dalla lanterna devono sommarsi. Le equazioni di Maxwell in questa ipotetica situazione semplicemente "si sono rotte". Era necessario un approccio completamente nuovo.
Relatività speciale
Non sarebbe corretto credere che Einstein abbia inventato la teoria della relatività. Si è infatti rivolto alle opere e alle ipotesi degli scienziati che hanno lavorato prima di lui. Tuttavia, l'autore si è avvicinatodomanda d' altra parte e invece della meccanica di Newton ha riconosciuto le equazioni di Maxwell come "corrette a priori".
Oltre al famoso principio di relatività (formulato infatti da Galileo, però, nell'ambito della meccanica classica), questo approccio portò Einstein ad un'interessante affermazione: la velocità della luce è costante in tutti i quadri di riferimento. Ed è proprio questa conclusione che ci permette di parlare della possibilità di cambiare gli standard temporali quando l'oggetto si muove.
Costanza della velocità della luce
Sembrerebbe che l'affermazione "la velocità della luce è costante" non sia sorprendente. Ma prova a immaginare di essere fermo e di guardare la luce allontanarsi da te a una velocità fissa. Segui il raggio, ma continua ad allontanarsi da te esattamente alla stessa velocità. Inoltre, girandoti e volando nella direzione opposta al raggio, non cambierai in alcun modo la velocità della tua distanza l'uno dall' altro!
Come è possibile? Qui inizia la conversazione sull'effetto relativistico della dilatazione del tempo. Interessante? Allora continua a leggere!
Dilatazione relativistica del tempo secondo Einstein
Quando la velocità di un oggetto si avvicina alla velocità della luce, il tempo interno dell'oggetto viene calcolato per rallentare. Se assumiamo che una persona si muova parallela al raggio di sole con una velocità simile, il tempo per lui smetterà del tutto di correre. Esiste una formula per la dilatazione relativistica del tempo, che riflette la sua relazione con la velocità di un oggetto.
Tuttavia, quando si studia questo problema, va ricordato che nessun corpo con massa può raggiungere nemmeno teoricamente la velocità della luce.
Paradossi relativi alla teoria
La relatività speciale è un'opera scientifica e di non facile comprensione. Tuttavia, l'interesse pubblico per la questione di che cosa sia il tempo dà regolarmente origine a idee che a livello quotidiano sembrano paradossi insolubili. Ad esempio, l'esempio seguente confonde la maggior parte delle persone che vengono introdotte all'SRT senza alcuna conoscenza della fisica.
Ci sono due aerei, uno dei quali vola dritto, e il secondo decolla e, dopo aver descritto un arco a una velocità prossima a quella della luce, raggiunge il primo. Com'era prevedibile, si scopre che il tempo per il secondo apparato (che volava a velocità prossima a quella della luce) è trascorso più lentamente rispetto al primo. Tuttavia, secondo il postulato SRT, i quadri di riferimento per entrambi i velivoli sono uguali. Ciò significa che il tempo può passare più lentamente sia per l'uno che per l' altro dispositivo. Sembrerebbe che questo sia un vicolo cieco. Ma…
Risolvere i paradossi
In effetti, la fonte di questo tipo di paradossi è un fraintendimento del meccanismo della teoria. Questa contraddizione può essere risolta utilizzando un noto esperimento speculativo.
Abbiamo un capannone con due porte che formano un passaggio e un palo leggermente più lungo della lunghezza del capannone. Se allunghiamo il palo di porta in porta, non saranno in grado di chiudersi o semplicemente romperanno il nostro palo. Se il palo, volando nella stalla,avrà una velocità prossima a quella della luce, la sua lunghezza diminuirà (ricorda: un oggetto che si muove alla velocità della luce avrà una lunghezza pari a zero), e nel momento in cui si trova all'interno del fienile, possiamo chiudere e aprire il porte senza rompere i nostri oggetti di scena.
D' altra parte, come nell'esempio con l'aereo, è il fienile che dovrebbe diminuire rispetto al palo. Il paradosso si ripete e, a quanto pare, non c'è via d'uscita: entrambi gli oggetti sono ridotti in modo sincrono in lunghezza. Tuttavia, ricorda che tutto è relativo e risolvi il problema modificando l'ora.
Relatività della simultaneità
Quando il bordo anteriore del palo è all'interno, davanti alla porta d'ingresso, possiamo chiuderlo e aprirlo, e nel momento in cui il palo vola completamente nel capannone, faremo lo stesso con il retro porta. Sembrerebbe che non lo stiamo facendo contemporaneamente e l'esperimento è fallito, ma qui si scopre la cosa principale: secondo la teoria della relatività speciale, i momenti di chiusura di entrambe le porte si trovano nello stesso punto sulla asse del tempo.
Questo accade perché gli eventi che si verificano simultaneamente in un sistema di riferimento non saranno simultanei in un altro. La dilatazione relativistica del tempo si manifesta nella relazione degli oggetti, e torniamo alla generalizzazione assolutamente quotidiana della teoria di Einstein: tutto è relativo.
C'è un altro dettaglio: l'uguaglianza dei sistemi di riferimento è rilevante in SRT, quando entrambi gli oggetti si muovono in modo uniforme e rettilineo. Non appena uno dei corpi inizia ad accelerare o decelerare, il suo sistema di riferimento diventa unicopossibile.
Paradosso dei gemelli
Il paradosso più famoso che spiega la dilatazione relativistica del tempo "in modo semplice" è un esperimento mentale con due fratelli gemelli. Uno di loro vola via su un'astronave a una velocità prossima a quella della luce, mentre l' altro rimane a terra. Al ritorno, il fratello astronauta scopre di essere invecchiato lui stesso di 10 anni e suo fratello, rimasto a casa, ne ha addirittura 20.
Il quadro generale dovrebbe essere chiaro al lettore già dalle spiegazioni precedenti: per il fratello sull'astronave, il tempo rallenta perché la sua velocità è vicina a quella della luce; non possiamo accettare il quadro di riferimento relativo al fratello a terra, poiché risulterà non inerziale (solo un fratello subisce sovraccarichi).
Vorrei sottolineare un' altra cosa: non importa a che punto raggiungano gli avversari nella disputa, resta il fatto: il tempo nel suo valore assoluto rimane costante. Non importa quanti anni un fratello vola su un'astronave, continuerà a invecchiare esattamente alla stessa velocità con il passare del tempo nel suo quadro di riferimento e il secondo fratello invecchierà esattamente alla stessa velocità - la differenza sarà rivelata solo quando si incontrano, e non in nessun altro caso.
Dilatazione del tempo di gravità
In conclusione, va notato che esiste un secondo tipo di dilatazione temporale, già associata alla teoria della relatività generale.
Anche nel 18° secolo, Mitchell predisse l'esistenza del rossospostamento, il che significa che quando un oggetto si sposta tra aree con gravità forte e debole, il tempo per esso cambierà. Nonostante i tentativi di Laplace e Zoldner di studiare la questione, solo Einstein presentò un'opera a tutti gli effetti su questo argomento nel 1911.
Questo effetto non è meno interessante della dilatazione relativistica del tempo, ma richiede uno studio separato. E quella, come si suol dire, è una storia completamente diversa.
