La teoria della relatività speciale spiega come lo spazio e il tempo sono collegati per oggetti che si muovono a una velocità costante in linea retta. Uno dei suoi aspetti più famosi riguarda gli oggetti che si muovono alla velocità della luce.
In poche parole, quando un oggetto si avvicina alla velocità della luce, la sua massa diventa infinita e non è in grado di andare più veloce della luce viaggia., Questo limite di velocità cosmica è stato oggetto di molte discussioni in fisica, e anche nella fantascienza, come la gente pensa a come viaggiare attraverso grandi distanze.
La teoria della relatività speciale fu sviluppata da Albert Einstein nel 1905 e fa parte delle basi della fisica moderna. Dopo aver terminato il suo lavoro in relatività speciale, Einstein ha trascorso un decennio a riflettere su cosa sarebbe successo se uno ha introdotto l’accelerazione. Questo costituì la base della sua relatività generale, pubblicata nel 1915.,
Storia
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 a riposo) rimangono in movimento (o a riposo) a meno che una forza esterna non imponga un cambiamento.
(2) La forza è uguale alla variazione di quantità di moto per cambiamento di tempo. Per una massa costante, la forza è uguale a massa per accelerazione.
(3) Per ogni azione, c’è una reazione uguale e opposta.,
Ma c’erano crepe nella teoria per decenni prima dell’arrivo di Einstein sulla scena, secondo Encyclopedia Britannica. Nel 1865, il fisico scozzese James Clerk Maxwell dimostrò che la luce è un’onda con componenti sia elettrici che magnetici, e stabilì la velocità della luce (186.000 miglia al secondo). Gli scienziati supponevano che la luce dovesse essere trasmessa attraverso un mezzo, che chiamavano l’etere. (Ora sappiamo che non è richiesto alcun mezzo di trasmissione e che la luce nello spazio si muove nel vuoto.,)
Vent’anni dopo, un risultato inaspettato lo mise in discussione. Il fisico A. A. Michelson e il chimico Edward Morley (entrambi americani all’epoca) calcolarono come il movimento della Terra attraverso questo “etere” influenzasse il modo in cui viene misurata la velocità della luce, e scoprirono che la velocità della luce è la stessa indipendentemente dal movimento della Terra. Ciò ha portato a ulteriori riflessioni sul comportamento della luce – e la sua incongruenza con la meccanica classica-dal fisico austriaco Ernst Mach e dal matematico francese Henri Poincaré.
Einstein iniziò a pensare al comportamento della luce quando aveva solo 16 anni, nel 1895., Ha fatto un esperimento mentale, dice l’enciclopedia, dove ha guidato su un’onda luminosa e ha guardato un’altra onda luminosa che si muoveva parallela a lui.
La fisica classica dovrebbe dire che l’onda luminosa che Einstein stava guardando avrebbe una velocità relativa pari a zero, ma questo contraddiceva le equazioni di Maxwell che mostravano che la luce ha sempre la stessa velocità: 186.000 miglia al secondo., Un altro problema con le velocità relative è che mostrerebbero che le leggi dell’elettromagnetismo cambiano a seconda del tuo punto di vista, che contraddiceva anche la fisica classica (che diceva che le leggi della fisica erano le stesse per tutti.)
Ciò ha portato alle riflessioni finali di Einstein sulla teoria della relatività speciale, che ha scomposto nell’esempio quotidiano di una persona in piedi accanto a un treno in movimento, confrontando le osservazioni con una persona all’interno del treno. Immaginava che il treno fosse in un punto della pista ugualmente tra due alberi., Se un fulmine colpisse entrambi gli alberi contemporaneamente, a causa del movimento del treno, la persona sul treno vedrebbe il bullone colpire un albero prima dell’altro albero. Ma la persona accanto alla pista avrebbe visto scioperi simultanei.
“Einstein concluse che la simultaneità è relativa; gli eventi che sono simultanei per un osservatore potrebbero non esserlo per un altro”, affermava l’enciclopedia. “Questo lo ha portato all’idea controintuitiva che il tempo scorre in modo diverso a seconda dello stato di movimento, e alla conclusione che anche la distanza è relativa.,”
Famosa equazione
Il lavoro di Einstein ha portato ad alcuni risultati sorprendenti, che oggi sembrano ancora controintuitivo a prima vista, anche se la sua fisica è di solito introdotto a livello di scuola superiore.
Una delle equazioni più famose in matematica proviene dalla relatività speciale., L’equazione-E = mc2-significa ” energia uguale massa volte la velocità della luce al quadrato.”Mostra che l’energia (E) e la massa (m) sono intercambiabili; sono forme diverse della stessa cosa. Se la massa è in qualche modo totalmente convertita in energia, mostra anche quanta energia risiederebbe all’interno di quella massa: parecchio. (Questa equazione è una delle dimostrazioni per il motivo per cui una bomba atomica è così potente, una volta che la sua massa viene convertita in un’esplosione.)
Questa equazione mostra anche che la massa aumenta con la velocità, il che pone effettivamente un limite di velocità su quanto velocemente le cose possono muoversi nell’universo., In poche parole, la velocità della luce (c) è la velocità più veloce alla quale un oggetto può viaggiare nel vuoto. Mentre un oggetto si muove, aumenta anche la sua massa. Vicino alla velocità della luce, la massa è così alta che raggiunge l’infinito e richiederebbe energia infinita per spostarla, limitando così la velocità con cui un oggetto può muoversi. L’unica ragione per cui la luce si muove alla velocità che fa è perché i fotoni, le particelle quantistiche che compongono la luce, hanno una massa pari a zero.,
Una situazione speciale nell’universo del piccolo, chiamata “entanglement quantistico”, è confusa perché sembra coinvolgere particelle quantistiche che interagiscono tra loro a velocità più veloci della velocità della luce. In particolare, misurare la proprietà di una particella può immediatamente dirti la proprietà di un’altra particella, non importa quanto siano lontane. Molto è stato scritto su questo fenomeno, che non è ancora completamente spiegato in termini di conclusioni di Einstein.
Un’altra strana conclusione del lavoro di Einstein deriva dalla consapevolezza che il tempo si muove rispetto all’osservatore., Un oggetto in movimento sperimenta la dilatazione del tempo, il che significa che il tempo si muove più lentamente quando si è in movimento, rispetto a quando si è fermi. Pertanto, una persona che si muove invecchia più lentamente di una persona a riposo. Quindi sì, quando l’astronauta Scott Kelly ha trascorso quasi un anno a bordo della Stazione Spaziale Internazionale nel 2015-16, il suo fratello astronauta gemello Mark Kelly è invecchiato un po ‘ più velocemente di Scott.
Questo diventa estremamente evidente a velocità che si avvicinano alla velocità della luce. Immagina un 15enne che viaggia al 99,5% della velocità della luce per cinque anni (dal punto di vista dell’astronauta)., Quando il 15-year-old torna sulla Terra, secondo la NASA, avrebbe solo 20 anni. I suoi compagni di classe, tuttavia, avrebbero 65 anni.
Anche se questa dilatazione temporale sembra molto teorica, ha anche applicazioni pratiche. Se si dispone di un ricevitore GPS (Global Positioning Satellite) in auto, il ricevitore tenta di trovare i segnali da almeno tre satelliti per coordinare la vostra posizione. I satelliti GPS inviano segnali radio temporizzati che il ricevitore ascolta, triangolando (o più propriamente trilaterando) la sua posizione in base al tempo di percorrenza dei segnali., La sfida è che gli orologi atomici sul GPS si stanno muovendo e quindi correrebbero più velocemente degli orologi atomici sulla Terra, creando problemi di temporizzazione. Così, gli ingegneri hanno bisogno di rendere gli orologi su un GPS tick più lento, secondo Richard Pogge, un astronomo presso l’Ohio State University.
Gli orologi nello spazio spuntano più velocemente, secondo Physics Central, perché i satelliti GPS sono sopra la Terra e sperimentano una gravità più debole., Quindi, anche se i satelliti GPS si muovono e sperimentano un rallentamento di sette microsecondi ogni giorno a causa del loro movimento, il risultato della gravità più debole fa sì che gli orologi spuntino circa 45 microsecondi più velocemente di un orologio a terra. Aggiungendo i due risultati insieme nell’orologio satellitare GPS ticchettio più veloce di un orologio a terra, di circa 38 microsecondi al giorno.
Relatività speciale e meccanica quantistica
Man mano che la nostra conoscenza della fisica è avanzata, gli scienziati si sono imbattuti in situazioni più controintuitive., Si sta cercando di conciliare la relatività generale — che descrive bene cosa sta succedendo con oggetti di grandi dimensioni — con la meccanica quantistica, che è meglio utilizzata per cose molto piccole (come il decadimento dell’atomo di uranio). I due campi, che descrivono in modo eccellente i loro singoli campi, sono incompatibili l’uno con l’altro, il che ha frustrato Einstein e generazioni di scienziati dopo di lui.
“La relatività dà risposte senza senso quando si tenta di ridimensionarla fino alla dimensione quantistica, alla fine scendendo a valori infiniti nella sua descrizione della gravità., Allo stesso modo, la meccanica quantistica si imbatte in seri problemi quando la fai saltare in aria fino alle dimensioni cosmiche”, ha sottolineato un articolo del Guardian nel 2015.
“I campi quantici trasportano una certa quantità di energia, anche in uno spazio apparentemente vuoto, e la quantità di energia diventa più grande man mano che i campi diventano più grandi. Secondo Einstein, energia e massa sono equivalenti (questo è il messaggio di E=mc2), quindi accumulare energia è esattamente come accumulare massa. Andare abbastanza grande, e la quantità di energia nei campi quantici diventa così grande che crea un buco nero che provoca l’universo a ripiegare su se stesso. Ops.,”
Ci sono diverse idee per superare questo (che sono oltre lo scopo di questo articolo), ma un approccio è immaginare una teoria quantistica della gravità che avrebbe una particella senza massa (chiamata gravitone) per generare la forza. Ma come il fisico Dave Goldberg ha sottolineato in io9 nel 2013, ci sono problemi con questo. Alle scale più piccole, i gravitoni avrebbero una densità di energia infinita, creando un campo di gravità inimmaginabilmente potente. Saranno necessari ulteriori studi per vedere se questo è possibile.