Quando la teoria della relatività è apparsa all’inizio del 1900, ha sconvolto secoli di scienza e ha dato ai fisici una nuova comprensione dello spazio e del tempo. Isaac Newton vedeva lo spazio e il tempo come fissi, ma nel nuovo quadro fornito dalla relatività speciale e dalla relatività generale erano fluidi e malleabili.
Chi ha inventato la teoria della relatività?
Albert Einstein. Pubblicò la prima parte della sua teoria – la relatività speciale – nella rivista tedesca di fisica Annalen der Physik nel 1905 e completò la sua teoria della relatività generale solo dopo un altro decennio di difficile lavoro. Presentò quest’ultima teoria in una serie di conferenze a Berlino alla fine del 1915 e la pubblicò negli Annalen nel 1916.
Che cos’è la relatività speciale?
La teoria si basa su due concetti chiave.
- In primo luogo, il mondo naturale non consente quadri di riferimento “privilegiati”. Finché un oggetto si muove in linea retta a velocità costante (cioè senza accelerazione), le leggi della fisica sono uguali per tutti. È un po’ come quando si guarda fuori dal finestrino di un treno e si vede un treno adiacente che sembra muoversi – ma è lui che si muove o tu? Può essere difficile da dire. Einstein riconobbe che se il movimento è perfettamente uniforme, è letteralmente impossibile dirlo – e identificò questo come un principio centrale della fisica.
- In secondo luogo, la luce viaggia ad una velocità invariabile di 186.000 miglia al secondo. Non importa quanto velocemente si muova un osservatore o quanto velocemente si muova un oggetto che emette luce, una misurazione della velocità della luce dà sempre lo stesso risultato.
Partendo da questi due postulati, Einstein dimostrò che lo spazio e il tempo sono intrecciati in modi che gli scienziati non avevano mai capito prima. Attraverso una serie di esperimenti del pensiero, Einstein dimostrò che le conseguenze della relatività speciale sono spesso controintuitive – persino sorprendenti.
Se stai sfrecciando in un razzo e incroci un amico in un razzo identico ma più lento, per esempio, vedrai che l’orologio del tuo amico sta andando più lentamente del tuo (i fisici chiamano questo “dilatazione del tempo”).
Inoltre, il razzo del tuo amico sembrerà più corto del tuo. Se il tuo razzo accelera, la tua massa e quella del razzo aumenteranno. Più vai veloce, più le cose diventano pesanti e più il tuo razzo resisterà ai tuoi sforzi per farlo andare più veloce. Einstein ha dimostrato che niente che abbia una massa può mai raggiungere la velocità della luce.
Un’altra conseguenza della relatività speciale è che materia ed energia sono intercambiabili attraverso la famosa equazione E = mc² (in cui E sta per energia, m per massa e c² la velocità della luce moltiplicata per se stessa). Poiché la velocità della luce è un numero così grande, anche una piccola quantità di massa equivale a – e può essere convertita in – una grandissima quantità di energia. Ecco perché le bombe atomiche e all’idrogeno sono così potenti.
Cos’è la relatività generale?
In sostanza, è una teoria della gravità. L’idea di base è che invece di essere una forza invisibile che attrae gli oggetti gli uni agli altri, la gravità è una curvatura o deformazione dello spazio. Più un oggetto è massiccio, più deforma lo spazio intorno ad esso.
Per esempio, il sole è abbastanza massiccio da deformare lo spazio nel nostro sistema solare – un po’ come il modo in cui una palla pesante appoggiata su un foglio di gomma deforma il foglio. Come risultato, la Terra e gli altri pianeti si muovono in percorsi curvi (orbite) intorno ad esso.
Questa deformazione influisce anche sulle misure del tempo. Tendiamo a pensare al tempo come a un ticchettio costante. Ma così come la gravità può allungare o deformare lo spazio, può anche dilatare il tempo. Se un tuo amico sale in cima a una montagna, vedrai il suo orologio ticchettare più velocemente rispetto al tuo; un altro amico, in fondo a una valle, avrà un orologio che ticchetta più lentamente, a causa della differenza nella forza di gravità in ogni luogo.
Come è fatta la relatività “sotto il cofano”?
La relatività speciale è in definitiva un insieme di equazioni che mettono in relazione il modo in cui le cose appaiono in un quadro di riferimento con il modo in cui appaiono in un altro – l’allungamento del tempo e dello spazio e l’aumento della massa. Le equazioni non implicano nulla di più complicato della matematica delle scuole superiori. Le sue “equazioni di campo” descrivono la relazione tra la massa e la curvatura dello spazio e la dilatazione del tempo, e sono tipicamente insegnate nei corsi universitari di fisica a livello di laurea.
Test della relatività speciale e generale
Nel corso dell’ultimo secolo, molti esperimenti hanno confermato la validità della relatività sia speciale che generale. Nel primo grande test della relatività generale, gli astronomi nel 1919 misurarono la deviazione della luce da stelle lontane mentre la luce stellare passava vicino al nostro sole, dimostrando che la gravità distorce o curva lo spazio.
Nel 1971, gli scienziati hanno testato entrambe le parti della teoria di Einstein mettendo orologi atomici esattamente sincronizzati su aerei di linea e facendoli volare intorno al mondo. Un controllo degli orologi dopo l’atterraggio degli aerei ha mostrato che gli orologi a bordo degli aerei di linea funzionavano un po’ più lentamente (meno di un milionesimo di secondo) degli orologi a terra.
La disparità derivava dalla velocità degli aerei (un effetto della relatività speciale) e dalla loro maggiore distanza dal centro del campo gravitazionale della Terra (un effetto della relatività generale).
Nel 2016, la scoperta delle onde gravitazionali – sottili increspature nel tessuto dello spaziotempo – è stata un’altra conferma della relatività generale.
La relatività in pratica
Anche se le idee dietro la relatività sembrano esoteriche, la teoria ha avuto un enorme impatto sul mondo moderno.
Le centrali nucleari e le armi nucleari, per esempio, sarebbero impossibili senza sapere che la materia può essere trasformata in energia. E la nostra rete di satelliti GPS (sistema di posizionamento globale) deve tenere conto dei sottili effetti della relatività speciale e generale; se non lo facessero, darebbero risultati sbagliati di diverse miglia.
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