LA RELATIVITÁ GENERALE Classi III

COME – QUANDO - PERCHÈ La teoria della relatività generale nasce come teoria unificante la relatività ristretta e la teoria della gravitazione universale di Newton: le due teorie sono infatti incompatibili. Terminato a novembre venne pubblicato all'inizio del 1916 e contiene la relatività generale. 1915 La teoria della relatività generale estende i concetti di base della relatività ristretta ai sistemi di riferimento non inerziali, che sono cioè in moto a velocità non costante e quindi soggetti a un'accelerazione.

I PRINCIPI FONDAMENTALI In assenza di gravità valgono le leggi della relatività ristretta. Un sistema in caduta libera in un campo gravitazionale (come un aereo o un ascensore) è del tutto equivalente a un sistema che si trovi in quiete o in assenza di gravità. L’ascensore, la persona e tutti gli oggetti presenti cadono con la stessa accelerazione g⃗. Visto che tutti i corpi (l’ascensore, la persona, gli oggetti) hanno, istante per istante, la stessa velocità, alla persona sembra di «fluttuare» nell’ascensore, visto che non riesce a «poggiare» i piedi sul fondo. Inoltre, la persona vede gli oggetti fermi a mezz’aria di fianco a sé, come se fluttuassero.

È QUESTIONE … DI GRAVITÀ Einstein immagina un ascensore lasciato cadere senza alcun freno: tutti gli oggetti al suo interno cadrebbero allo stesso modo. Quindi per loro è come se la gravità non ci fosse affatto. Einstein dedusse che un sistema in caduta libera in un campo gravitazionale è quindi equivalente a un sistema in quiete senza gravità (in cui valgono le leggi della Relatività ristretta). Questa stessa esperienza la vivono gli astronauti della stazione spaziale internazionale. L’ISS mantiene la sua orbita grazie all’effetto della forza-peso che la «lega» alla Terra. Ma, allora, perché gli astronauti che si trovano all’interno della stazione appaiono senza peso?

È QUESTIONE … DI GRAVITÀ Quindi sulla ISS (come anche nello Shuttle e in tutte le altre navicelle orbitanti) stazione e astronauta cadono con la stessa accelerazione. Muovendosi con la stessa legge del moto della stazione spaziale, l’astronauta si ritrova sempre fermo rispetto a essa e «fluttua» al suo interno. Lo stesso accade, naturalmente, a ogni altro astronauta e a tutti gli oggetti che si trovano nella stazione.

LÀ, DOVE IL TEMPO SI FERMA La gravità in un buco nero è ENORME. Più gravità c’è e più il tempo scorre lentamente. Cioè la distorsione temporale è massima dove la gravità è estremamente alta. Il tempo scorre più lentamente al mare piuttosto che in montagna. Con un preciso orologio atomico ciò si può calcolare. La gravità in un buco nero è ENORME. Se uno dei due gemelli di Einstein si recasse sul “bordo” di un buco nero, l’altro – rimasto sulla Terra, lo vedrebbe congelato nel tempo, e potrebbe anche aspettare un milione di anni senza vederlo invecchiare.

Tutto ciò spiega perfettamente le leggi gravitazionali dell’Universo. NELLA BUCA! La massa distorce la struttura stessa dello spazio e del tempo. In assenza di materia (massa), lo spazio e il tempo formano una struttura piatta, come un telo teso. Se aggiungiamo una massa (ad esempio la Terra) è come se posassimo una sfera su questo telo, modificandone la struttura. La luna, per esempio, che in assenza di gravità seguirebbe una traiettoria rettilinea, resta intrappolata nella “buca” indotta dalla Terra nello spazio – tempo: quindi è costretta a girarle intorno. Tutto ciò spiega perfettamente le leggi gravitazionali dell’Universo.

LA MATEMATICA? È UN’OPINIONE! Se si altera il tempo di conseguenza anche lo spazio si altera. Quindi se la gravità è intensa anche le leggi di Euclide NON valgono più. Per esempio il rapporto tra una circonferenza e il suo diametro non è più pari a pi greco. Questo fenomeno, che è molto piccolo sulla Terra, diventa ben visibile in prossimità delle stelle più dense.

IL FUTURO? La distorsione dello spazio e del tempo rende teoricamente possibili i viaggi nel futuro e perfino nel passato. "noi fisici abbiamo finalmente capito che la natura del tempo è qualcosa di troppo importante per essere lasciata nelle mani dei soli scrittori di fantascienza!". Gli astronauti che viaggiano nello Spazio di fatto, anche se in misura infinitesimale, compiono dei piccoli viaggi nel futuro. il cosmonauta russo Sergej Avdeyev, che è rimasto in orbita per 748 giorni, si è spinto nel futuro per 0,02 secondi. Un viaggio nel futuro è assolutamente possibile perché è compatibile con la relatività ristretta di Einstein. Il problema è il viaggio nel passato. "il viaggio nel tempo potrà anche essere possibile, ma non è fattibile, almeno con le tecnologie attuali". Stephen Hawking

GLI OROLOGI ATOMICI L'orologio atomico è un tipo di orologio in cui la base del tempo è determinata dalla frequenza di risonanza di un atomo, solitamente di cesio. Per fortuna non si sentono. Pensate al fastidioso tic tac di alcuni orologi, e immaginatelo ripetuto 9.192.631.770 volte: tante quante sono le oscillazioni di un atomo di cesio in un solo secondo. Sono quelle che scandiscono il tempo nella maggior parte degli orologi atomici, i più precisi al mondo: perdono un secondo solo ogni 2.000 anni circa. Il primo fu messo a punto nel 1955 con l’ammoniaca. Il suo inventore vinse il NOBEL per la fisica nel 1964. Perdeva un secondo solo ogni 300 anni circa. COSA SIGNIFICA RISONANZA DI UN ATOMO? Gli atomi oscillano sotto determinate condizioni. In realtà sarebbe più corretto dire che risuonano: assorbono ed emettono radiazioni elettromagnetiche con una precisione pressoché assoluta, sia che l'atomo si trovi sulla Terra sia che sia disperso in una galassia lontana milioni di anni luce dal nostro pianeta. Nel giro di sessanta anni gli orologi atomici sono andati oltre, diventando migliaia di volte più precisi. A far muovere le lancette, oggi non sono solo gli atomi di cesio, ma anche quelli di idrogeno, rubidio, stronzio e mercurio.