Che cos’è la relatività?

Albert Einstein era famoso per molte cose, ma la sua più grande invenzione è la teoria della relatività. Ha cambiato per sempre la nostra comprensione dello spazio e del tempo.

Che cos’è la relatività? In poche parole, è il concetto che le leggi della fisica sono le stesse ovunque. Noi qui sulla Terra obbediamo alle stesse leggi della luce e della gravità di qualcuno in un lontano angolo dell’universo.

L’universalità della fisica significa che la storia è provinciale. Diversi spettatori vedranno la tempistica e la spaziatura degli eventi in modo diverso. Quello che per noi è un milione di anni può essere solo un battito di ciglia per qualcuno che vola in un razzo ad alta velocità o che cade in un buco nero.

È tutto relativo.

La relatività speciale

La teoria di Einstein si divide in relatività speciale e generale.

La relatività speciale è venuta prima e si basa sul fatto che la velocità della luce sia costante per tutti. Questo può sembrare abbastanza semplice, ma ha conseguenze di vasta portata.

Einstein arrivò a questa conclusione nel 1905 dopo che prove sperimentali dimostrarono che la velocità della luce non cambiava mentre la Terra girava intorno al sole.

Questo risultato fu sorprendente per i fisici perché la velocità della maggior parte delle altre cose dipende dalla direzione in cui si muove l’osservatore. Se si guida la macchina lungo un binario ferroviario, un treno che viene verso di voi sembrerà muoversi molto più velocemente che se vi girate e lo seguite nella stessa direzione.

Einstein disse che tutti gli osservatori misurano la velocità della luce a 186.000 miglia al secondo, indipendentemente dalla velocità e dalla direzione in cui si muovono.

Questa massima ha spinto il comico Stephen Wright a chiedere: “Se sei in un’astronave che viaggia alla velocità della luce e accendi i fari, succede qualcosa?”

La risposta è che i fari si accendono normalmente, ma solo dalla prospettiva di qualcuno all’interno dell’astronave. Per qualcuno che sta fuori a guardare l’astronave volare, i fari non sembrano accendersi: la luce esce ma viaggia alla stessa velocità dell’astronave.

Queste versioni contraddittorie sorgono perché i righelli e gli orologi – le cose che segnano il tempo e lo spazio – non sono gli stessi per osservatori diversi. Se la velocità della luce deve essere mantenuta costante, come disse Einstein, allora il tempo e lo spazio non possono essere assoluti; devono essere soggettivi.

Per esempio, un’astronave lunga 100 piedi che viaggia al 99,99% della velocità della luce apparirà lunga un piede a un osservatore fermo, ma rimarrà della sua lunghezza normale per chi è a bordo.

Perché, cosa ancora più strana, il tempo passa più lentamente quanto più veloce si va. Se una gemella viaggia in un’astronave veloce verso qualche stella lontana e poi torna indietro, sarà più giovane di sua sorella che è rimasta sulla Terra.

Anche la massa dipende dalla velocità. Più un oggetto si muove velocemente, più diventa massiccio. Infatti, nessuna astronave potrà mai raggiungere il 100% della velocità della luce perché la sua massa crescerebbe all’infinito.

Questa relazione tra massa e velocità è spesso espressa come una relazione tra massa ed energia: E=mc^2, dove E è l’energia, m è la massa e c è la velocità della luce.

La relatività generale

Einstein non aveva finito di sconvolgere la nostra comprensione del tempo e dello spazio. Continuò a generalizzare la sua teoria includendo l’accelerazione e scoprì che questo distorceva la forma del tempo e dello spazio.

Per restare all’esempio di cui sopra: immaginate che l’astronave acceleri sparando i suoi propulsori. Le persone a bordo si attaccheranno al suolo proprio come se fossero sulla Terra. Einstein sosteneva che la forza che chiamiamo gravità è indistinguibile dall’essere in un’astronave in accelerazione.

Questo di per sé non era così rivoluzionario, ma quando Einstein elaborò la complessa matematica (gli ci vollero 10 anni), scoprì che lo spazio e il tempo sono curvati vicino a un oggetto massiccio, e questa curvatura è ciò che sperimentiamo come forza di gravità.

È difficile immaginare la geometria curva della relatività generale, ma se si pensa allo spazio-tempo come a una specie di tessuto, allora un oggetto massiccio allunga il tessuto circostante in modo tale che qualsiasi cosa passi vicino non segue più una linea retta.

Le equazioni della relatività generale prevedono una serie di fenomeni, molti dei quali sono stati confermati:

• curvatura della luce intorno a oggetti massicci (lensing gravitazionale)
• una lenta evoluzione nell’orbita del pianeta Mercurio (precessione del perielio)
• trascinamento del telaio dello spazio-tempo intorno a corpi in rotazione
• debolezza della luce che sfugge all’attrazione della gravità (redshift gravitazionale)
• onde gravitazionali (increspature nel tessuto spazio-temporale) causate da smorzamenti cosmici.tempo) causate da scontri cosmici
• l’esistenza di buchi neri che intrappolano tutto, compresa la luce

La deformazione dello spazio-tempo intorno ad un buco nero è più intensa che altrove. Se la gemella spaziale cadesse in un buco nero, si allungherebbe come spaghetti.

Per sua fortuna, tutto finirebbe in pochi secondi. Ma sua sorella sulla Terra non vedrebbe mai la fine – guardando la sua povera sorella che si avvicina progressivamente al buco nero nel corso dell’età dell’universo.