Immagina di essere in un’auto che attraversa il paese osservando il paesaggio. Un albero in lontananza si avvicina alla tua macchina, ti passa accanto, poi si allontana di nuovo dietro di te.
Ovviamente, sai che quell’albero non si sta effettivamente alzando e camminando verso di te o si sta allontanando da te. Sei tu in macchina che ti stai dirigendo verso l’albero. L’albero si muove solo in relazione a te, o meglio, in modo relativo a te – questo è ciò che i fisici chiamano relatività. Se avessi un amico che sta accanto all’albero, vedrebbe te muoverti verso di lui alla stessa velocità con cui tu li vedi muoversi verso di te.
Nel suo libro del 1632 “Dialogo sui due massimi sistemi del mondo“, l’astronomo Galileo Galilei descrisse per primo il principio di relatività – l’idea che l’universo dovrebbe comportarsi allo stesso modo in ogni momento, anche se due persone sperimentano un evento in modo diverso perché una si sta muovendo rispetto all’altra.
Se sei in macchina e lanci una palla in aria, le leggi fisiche che agiscono su di essa, come la forza di gravità, dovrebbero essere le stesse che agiscono per un osservatore che guarda dal lato della strada. Tuttavia, mentre vedi la palla muoversi su e giù, qualcuno sul ciglio della strada la vedrà muoversi verso di lui o allontanarsi da lui, oltre che su e giù.
Relatività ristretta e velocità della luce
Albert Einstein molto più tardi propose l’idea di quella che oggi è nota come relatività ristretta per spiegare alcune osservazioni confuse che all’epoca non avevano una spiegazione intuitiva. Einstein usò il lavoro di molti fisici e astronomi alla fine del 1800 per mettere insieme la sua teoria nel 1905, partendo da due ingredienti chiave: il principio di relatività e la strana osservazione che la velocità della luce è la stessa per ogni osservatore e niente può muoversi più veloce. Chiunque misuri la velocità della luce otterrà lo stesso risultato, indipendentemente da dove si trovi o dalla velocità con cui si sta muovendo.
Diciamo che sei in macchina a 60 km all’ora e il tuo amico è in piedi vicino all’albero. Quando lancia una palla verso di te a una velocità di quella che percepisce essere di 60 km all’ora, potresti logicamente pensare che osserveresti il tuo amico e l’albero che si muovono verso di te a 60 km all’ora e la palla che si muove verso di te a 120 km all’ora. Sebbene sia molto vicino al valore corretto, in realtà è leggermente sbagliato.
Questa discrepanza tra ciò che potresti aspettarti sommando i due numeri e la risposta vera cresce man mano che uno o entrambi vi avvicinate alla velocità della luce. Se viaggiassi su un razzo che si muove al 75% della velocità della luce e il tuo amico lancia la palla alla stessa velocità, non vedresti la palla che si muove verso di te al 150% della velocità della luce. Questo perché nulla può muoversi più velocemente della luce: la palla sembrerebbe comunque muoversi verso di te a una velocità inferiore a quella della luce. Sebbene tutto ciò possa sembrare molto strano, ci sono molte prove sperimentali a sostegno di queste osservazioni.
Dilatazione del tempo e paradosso dei gemelli
La velocità non è l’unico fattore che cambia rispetto a chi sta effettuando l’osservazione. Un’altra conseguenza della relatività è il concetto di dilatazione del tempo, in base al quale le persone misurano quantità di tempo diverse a seconda di quanto velocemente si muovono l’una rispetto all’altra.
Ogni persona sperimenta il tempo normalmente relativo a se stesso. Ma la persona che si muove più velocemente sperimenta meno tempo che passa per lui rispetto alla persona che si muove più lentamente. È solo quando si ricollegano e confrontano i loro orologi che si rendono conto che un orologio dice che è passato meno tempo mentre l’altro dice di più.
Questo porta a uno dei risultati più strani della relatività: il paradosso dei gemelli, secondo il quale se uno dei due gemelli fa un viaggio nello spazio su un razzo ad alta velocità, al suo ritorno sulla Terra scoprirà che il gemello è invecchiato più velocemente di lui. È importante notare che il tempo si comporta “normalmente” come percepito da ciascun gemello (esattamente come stai sperimentando il tempo adesso), anche se le loro misurazioni sono in disaccordo.
Il gemello sull’astronave non solo si muove a una velocità particolare in cui il quadro di riferimento rimane lo stesso, ma sta anche accelerando rispetto al gemello sulla Terra. A differenza delle velocità che sono relative all’osservatore, le accelerazioni sono assolute. Se sali su una bilancia, il peso che stai misurando è in realtà la tua accelerazione dovuta alla gravità. Questa misura rimane la stessa indipendentemente dalla velocità con cui la Terra si muove attraverso il sistema solare, o il sistema solare si muove attraverso la galassia o la galassia attraverso l’universo.
Nessuno dei due gemelli sperimenta alcuna stranezza con i loro orologi mentre ci si avvicina alla velocità della luce: entrambi sperimentano il tempo normalmente. È solo quando si incontrano e confrontano le loro osservazioni che vedranno una differenza, perfettamente definita dalla matematica della relatività.
Autore
Michael Lam, Rochester Institute of Technology
