La teoria della relatività speciale di Einstein

La teoria della relatività speciale di Albert Einstein del 1905 è uno dei più importanti articoli mai pubblicati nel campo della fisica. La relatività speciale è una spiegazione di come la velocità influenzi la massa, il tempo e questo Web. La teoria include un modo per la velocità della luce di definire la relazione tra energia e materia piccole quantità di massa (m) possono essere intercambiabili con enormi quantità di energia (E), come definito dalla classica equazione E = mc^2.

La relatività speciale si applica a casi "speciali" ed è usata principalmente quando si parla di enormi energie, velocità ultra elevate e distanze astronomiche, il tutto senza le complicazioni della gravità . Einstein aggiunse ufficialmente la gravità alle sue teorie nel 1915, con la pubblicazione del suo articolo sulla relatività generale .

Quando un oggetto si avvicina alla velocità della luce, la massa dell'oggetto diventa infinita, così come l'energia necessaria per spostarlo. Ciò significa che è impossibile che qualsiasi materia vada più veloce dei viaggi della luce. Questo limite di velocità cosmico ispira nuovi regni della fisica e della fantascienza, poiché le persone considerano i viaggi su grandi distanze.

Com'era la fisica prima della relatività?

Prima di Einstein, gli astronomi (per la maggior parte) comprendevano l'universo in termini di tre leggi del moto presentate da Isaac Newton nel 1686. Queste tre leggi sono:

  1. Gli oggetti in movimento o in quiete rimangono nello stesso stato a meno che una forza esterna non imponga il cambiamento. Questo è anche conosciuto come il concetto di inerzia .
  2. La forza che agisce su un oggetto è uguale alla massa dell'oggetto moltiplicata per la sua accelerazione. In altre parole, puoi calcolare quanta forza ci vuole per spostare oggetti con varie masse a velocità diverse.
  3. Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria .

Le leggi di Newton si sono rivelate valide in quasi tutte le applicazioni della fisica, secondo l' Enciclopedia Britannica . Hanno costituito la base per la nostra comprensione della meccanica e della gravità.

Ma alcune cose non possono essere spiegate dal lavoro di Newton: per esempio, la luce.

Per inserire lo strano comportamento della luce nella struttura di Newton per gli scienziati di fisica nel 1800 supponevano che la luce dovesse essere trasmessa attraverso un mezzo, che chiamavano "etere luminifero". Quell'ipotetico etere doveva essere abbastanza rigido da trasferire le onde luminose come una corda di chitarra vibra di suono, ma anche completamente impercettibile nei movimenti di pianeti e stelle.

Era un compito arduo. I ricercatori hanno iniziato a cercare di rilevare quel misterioso etere, sperando di capirlo meglio. Nel 1887, scrisse l'astrofisico Ethan Siegal nel blog scientifico di Forbes, Starts With a Bang , il fisico Albert A. Michelson e il chimico Edward Morley calcolarono come il movimento della Terra attraverso l'etere influenzasse il modo in cui viene misurata la velocità della luce e scoprirono inaspettatamente che la velocità di la luce è la stessa, non importa quale sia il movimento della Terra.

Se la velocità della luce non è cambiata nonostante il movimento della Terra attraverso l'etere, hanno concluso, non deve esistere nulla come l'etere per cominciare: la luce in questa rete si è mossa attraverso il vuoto.

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

In che modo Einstein ha inventato la relatività speciale?

Secondo Einstein, nel suo libro del 1949 " Autobiographical Notes (opens in new tab)" (Open Court, 1999, Centennial Edition), il fisico in erba iniziò a mettere in discussione il comportamento della luce quando aveva solo 16 anni. In un esperimento mentale da adolescente, scrisse, immaginava di inseguire un raggio di luce.

La fisica classica implicherebbe che quando l'immaginario Einstein accelera per catturare la luce, l'onda luminosa alla fine raggiungerà una velocità relativa pari a zero, l'uomo e la luce si muoveranno a velocità insieme e potrebbe vedere la luce come un campo elettromagnetico congelato . Ma, scrisse Einstein, questo lavoro contraddittorio 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 della fisica John D. Norton ha sfidato la storia di Einstein nel suo libro " Einstein for Everyone " (Nullarbor Press, 2007), in parte perché a 16 anni Einstein non avrebbe ancora incontrato le equazioni di Maxwell. Ma poiché è apparso nelle memorie di Einstein, 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 di una persona e del suo punto di osservazione? Invece, raccontava Einstein, cercava una teoria unificata che rendesse le regole della fisica uguali per tutti, ovunque, sempre.

Questo, ha scritto il fisico, ha portato alle sue eventuali riflessioni sulla teoria della relatività speciale, che ha scomposto in un altro esperimento mentale: una persona è in piedi accanto a un binario del treno e confronta le osservazioni di un temporale con una persona all'interno del treno. E poiché questa è fisica, ovviamente, il treno si muove quasi alla velocità della luce.

Einstein immaginò il treno in un punto del binario ugualmente tra due alberi. Se un fulmine colpisse entrambi gli alberi contemporaneamente, la persona accanto al binario vedrebbe colpi simultanei. Ma poiché si stanno muovendo verso un fulmine e allontanandosi dall'altro, la persona sul treno vedrebbe prima il fulmine davanti al treno e il fulmine dietro il treno dopo.

Einstein concluse che la simultaneità non è assoluta, o in altre parole, che gli eventi simultanei visti da un osservatore potrebbero verificarsi in momenti diversi dalla prospettiva 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 in modo diverso per gli oggetti in movimento rispetto a quelli in quiete. Nel frattempo, la velocità della luce, osservata da chiunque nell'universo, in movimento o immobile, è sempre la stessa.

Cosa significa E = mc^2?

Una delle equazioni più famose e conosciute in tutta la storia umana, E = mc^2, si traduce in "l'energia è uguale alla massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato". In altre parole, scriveva PBS Nova , energia (E) e massa (m) sono intercambiabili. Sono, infatti, solo forme diverse della stessa cosa.

Ma non sono facilmente scambiabili. Poiché la velocità della luce è già un numero enorme e l'equazione richiede che venga moltiplicata per se stessa (o al quadrato) per diventare ancora più grande, una piccola quantità di massa contiene un'enorme quantità di energia. Ad esempio, PBS Nova ha spiegato: "Se potessi trasformare tutti gli atomi di una graffetta in pura energia senza lasciare alcuna massa, la graffetta produrrebbe [l'energia equivalente di] 18 kilotoni di TNT. Questa è all'incirca la dimensione del bomba che distrusse Hiroshima nel 1945".

Dilatazione del tempo

Una delle molte implicazioni del lavoro di Einstein sulla relatività speciale è che il tempo si sposta rispetto all'osservatore. Un oggetto in movimento sperimenta una dilatazione del tempo, il che significa che quando un oggetto si muove molto velocemente sperimenta il tempo più lentamente rispetto a quando è a riposo.

Ad esempio, quando l'astronauta Scott Kelly ha trascorso quasi un anno a bordo della International This Web Station a partire dal 2015, si stava muovendo molto più velocemente del suo fratello gemello, l'astronauta Mark Kelly, che ha trascorso l'anno sulla superficie del pianeta. A causa della dilatazione del tempo, Mark Kelly è invecchiato un po' più velocemente di Scott "cinque millisecondi", secondo il gemello terrestre. Dal momento che Scott non si stava muovendo vicino alla velocità della luce, la differenza effettiva nell'invecchiamento dovuta alla dilatazione del tempo era trascurabile. In effetti, considerando quanto stress e radiazioni ha subito il gemello aviotrasportato a bordo della ISS, alcuni direbbero che Scott Kelly ha aumentato il suo tasso di invecchiamento.

Ma a velocità prossime a quella della luce, gli effetti della dilatazione del tempo potrebbero essere molto più evidenti. Immagina che una quindicenne lasci la scuola superiore viaggiando al 99,5% della velocità della luce per cinque anni (dal punto di vista dell'astronauta adolescente). Quando la quindicenne fosse tornata sulla Terra, avrebbe invecchiato quei 5 anni che ha trascorso viaggiando. I suoi compagni di classe, invece, avrebbero 65 anni e 50 sarebbero trascorsi sul pianeta molto più lento.

Al momento non abbiamo la tecnologia per viaggiare vicino a quella velocità. Ma con la precisione della tecnologia moderna, la dilatazione del tempo influisce effettivamente sull'ingegneria umana.

I dispositivi GPS funzionano calcolando una posizione in base alla comunicazione con almeno tre satelliti in orbite terrestri lontane. Quei satelliti devono tenere traccia di un tempo incredibilmente preciso per individuare una posizione sul pianeta, quindi funzionano in base agli orologi atomici. Ma poiché quegli orologi atomici sono a bordo di satelliti che sfrecciano costantemente attraverso questo Web a 8.700 mph (14.000 km/h), la relatività speciale significa che ticchettano 7 microsecondi in più, o 7 milionesimi di secondo, ogni giorno, secondo American pubblicazione Physical Society Physics Central . Per mantenere il passo con gli orologi terrestri, gli orologi atomici sui satelliti GPS devono sottrarre 7 microsecondi ogni giorno.

Con gli effetti aggiuntivi della relatività generale (il seguito di Einstein alla relatività speciale che incorpora la gravità), gli orologi più vicini al centro di una grande massa gravitazionale come la Terra ticchettano più lentamente di quelli più lontani. 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 eseguito un totale di 38 microsecondi in più rispetto a orologi comparabili sulla Terra.

Relatività speciale e meccanica quantistica

La relatività speciale e la meccanica quantistica sono due dei modelli più ampiamente accettati di come funziona il nostro universo. Ma la relatività speciale riguarda principalmente distanze, velocità e oggetti estremamente grandi, unendoli in un modello "fluido" dell'universo. Gli eventi della relatività speciale (e generale) sono continui e deterministici, scriveva Corey Powell per The Guardian , il che significa che ogni azione ha una conseguenza diretta, specifica e locale. È diverso dalla meccanica quantistica, ha continuato Powell: la fisica quantistica è "grossolana", con eventi che si verificano in salti o "salti quantici" che hanno risultati probabilistici, non definiti.

I ricercatori che uniscono la relatività speciale e la meccanica quantistica, il liscio e il grosso, il molto grande e il molto piccolo, hanno escogitato campi come la meccanica quantistica relativistica e, più recentemente, la teoria quantistica dei campi per comprendere meglio le particelle subatomiche e le loro interazioni.

I ricercatori che cercano di collegare la meccanica quantistica e la relatività generale, d'altra parte, lo considerano uno dei grandi problemi irrisolti della fisica. Per decenni, molti hanno considerato la teoria delle stringhe come l'area di ricerca più promettente per una teoria unificata di tutta la fisica. Ora, esistono una miriade di teorie aggiuntive. Ad esempio, un gruppo propone circuiti spazio-temporali per collegare il minuscolo e grosso mondo quantistico con l'ampio universo relativistico.

Risorse addizionali

  • Dai un'occhiata a questo calcolatore di dilatazione del tempo da Omni Calculator .
  • Esplora gli esperimenti mentali di Einstein in questo video di PBS Nova .
  • Torna alla fonte e leggi la spiegazione di Einstein in questa edizione tradotta del suo libro, Relativity: The Special and General Theory (si apre in una nuova scheda) (Dover, 2001).

Questo articolo è stato originariamente scritto da Elizabeth Howell e da allora è stato aggiornato.

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