LEZIONE 11_La relatività speciale e generale di A. Einstein

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 L’uomo che cavalcò il raggio di luce.  All’inizio del secolo scorso Einstein era poco più di un ventiduenne,viveva a Zurigo senza un futuro e senza un serio lavoro, ma con una passione quella per la fisica.  

Nel 1902 si sposta a Berna iniziando a dare delle ripetizioni, ma si stufava di tirare la cinghia e chiese aiuto a un padre di un suo amico, il quale li trovò un impiego di terza classe all’ufficio dei brevetti. Ed è proprio in questo lavoro che può forgiare il suo pensiero e la sua logica, cercando di capire come funzionavano le invenzioni e se si trovano in accordo con le leggi della fisica.

Einstein riesaminò i concetti della fisica classica ponendosi delle semplici domande:” Ma è d’avvero possibile che Dio abbia fatto solo questo mondo con queste regole?…e se ci fosse altro?..”.Tutti a quei tempi davano per scontato che 1 metro era un metro ovunque, e se un corridore finiva la corsa in 6 secondi era andato più veloce del suo rivale arrivato dopo.

Questo si traduce che spazio e tempo siano assoluti, cioè gli stessi ovunque e per chiunque, perché questo affermava la fisica di Newton nel 17sec.Ma per Einstein, dove per gli altri era un limite per lui era un inizio su cui pensare e porsi delle domande.

Partì con il ragionare sulla luce, sapeva dalle equazioni di Maxwell che era un’onda che viaggiava a 300.000 Km/sec, lo sapevano tutti. Ma Einstein si pose una domanda se tu cavalcassi con la stessa velocità della luce vicino ad un onda di luce la vedresti ferma, cioè un onda statica! Una situazione anomala non poteva essere. Einstein era convinto che la luce non sarebbe luce se non si potesse viaggiare con essa, ma la fisica classica dice che è possibile stare al passo con qualsiasi onda, e la luce è un onda…questo fù il rompicapo di Einstain risolvere questo problema.


..i bambini che si fanno domande sulla luce, il tempo, lo spazio, sono soddisfatte dalle risposte preconfezionate e non si pongono il problema da adulti. Ma siccome io ero ritardato, mi posi queste semplici domande da adulto e le sondai con maggior tenacia e profondità di qualsiasi bambino…”A.Einstein..


Per trovare una soluzione al problema della luce, Einstein fece alcuni esperimenti mentali prendendo esempio un treno e un passeggero che si spechio. Sempre dalle equazioni di Maxwell ( vedi precedenti lezioni) la luce che colpisce lo specchio viaggia a 300.000Km/sec ok disse Einstein ma se il treno viaggiasse alla velocità della luce?


Una possibilità è che il treno stia al passo con le onde di luce così che la luce non raggiunge mai lo specchio, ma questo non può accadere la luce non può restare ferma.

Se l’osservatore sul treno si vede riflesso dal suo punto di vista è tutto regolare, ma se ci fosse una persona fuori dal treno a terra, per lui ci sarebbe un grosso problema. L’osservatore a terra vede passare il treno a 300.000km/sec e quindi la velocità riflessa dallo specchio dovrebbe andare secondo la somma delle velocità a 600.000Km/sec. 600.000Km/sec è la velocità della luce sommata alla velocità del treno che trasporta la luce, così i fisici fino ad allora e dai tempi di Galileo sommavano le velocità, Einstein concluse che con la luce questa somma è sbagliata, perché la velocità della luce non cambia mai ( si dice che è una costante per tutti i sistemi di riferimento anche se la sua sorgente è in movimento-vedi lezione sui sistemi di riferimento..).


Con un lampo di genio Einstein concluse che lo spazio e il tempo non erano gli stessi come si era sempre pensato, 1seconso sul dentro al treno non era uguale ad 1secondo fuori dal treno, quello fuori dal treno durava di più ( e da qui nasce il paradosso dei due gemelli ),e anche per lo spazio valeva il solito ragionamento erano diversi a seconda se si era sul treno o fuori dal treno, in altre parole spazio e tempo erano ( sono) relativi ( dipende da dove si misurano).


E=mc2

Ma Einstein non aveva ancora finito, doveva far apparire la sua equazione più importante E=mc2.

Riprendendo la teoria spazio tempo sopra descritta, Einstein, capì che aumentando la velocità non solo il tempo rallenta ma gli oggetti diventano più pesanti, era una curiosità, perché gli oggetti dovrebbero diventare più pesanti mentre si muovono. Einstein capi subito che ciò avveniva perché l’energia del moto viene convertita in massa e questo vuol dire che anche la massa si trasforma in energia e in un passaggio Einstein scrisse l’equazione che avrebbe rivoluzionato la fisica e che lo avrebbe consegnato alla storia e al mito per sempre: E=mc2.


Non contento Einstein andò avanti. La relatività speciale ( o dello spazio_tempo) venne inizialmente applicata a oggetti che si muovevano a velocità costante, Einstein volle applicarle al caso più reale cioè a oggetti che subiscono accelerazioni o decelerazioni. La cosa non fu affatto facile, ci vollero bene 10 anni per arrivare alla conclusione, ma ne valeva la pena.


Per un problema cosi complesso i fisici avrebbero molato e dato la colpa a Dio che faceva le cose troppo complicate, Einstein invece sosteneva che Dio è sottile e solo entrando nella sua essenza di poteva raggiungere il risultato.


Curvatura spazio tempo.


Cosi, ancora una volta si fece un esempio mentale, quello dell’ascensore.

Disse: Immaginiamo un ascensore nello spazio, e che acceleri uniformemente verso l’alto, Einstein diceva che senza finestre tu non potevi sapere se ti stavi muovendo o no. Potremmo sentire la pressione sui piedi, ma non sapresti se è data dalla gravità dell’ascensore fermo sulla terra o dell’accelerazione uniforme verso l’alto. Il fatto è che non puoi distinguere la differenza allora vuol dire che ACCELLERAZIONE = GRAVITA’dopo complicatissimi calcoli Einstein concluse che questo era possibile solo se SPAZIO E TEMPO sono curvi.

Secondo questa nuova teoria detta generale, la curvatura dello spazio-tempo è dovuta alle masse.Newton aveva ragione quando diceva che un oggetto si muove sempre lungo una linea retta la distanza più breve tra due punti, ma nello spazio curvo la distanza più breve è una linea curva.

Un oggetto sperimenta l’accelerazione attorno alla curva come gravità.

Prendiamo il sole e la Terrra. La terra orbita intorno al sole perché è il sole che deforma lo spazio intorno a se e “intrappola” la Terra viaggia semplicemente lungo il percorso più breve sullo spazio curvo.

La teoria generale spiega perfettamente i moti dei pianeti delle stelle, delle galassie dell’universo conosciuto nello spazio-tempo.


…” Una volta capite e applicate queste teorie il mondo non è più lo stesso, tutto è così diverso man mano che la mia vita va avanti, non riesco più a considerare le cose come le vedevo prima di capire questa teoria…” A.Einstein.

La prossima volta parleremo della fisica dei Quanti…