Distorsioni nello spazio e nel tempo

Più di 200 anni dopo la pubblicazione del Principia, il mondo era ancora senza una comprensione del meccanismo della gravità. Inserisci Albert Einstein – un uomo che doveva cambiare il mondo in tanti modi. Ma prima di arrivare al suo lavoro, dovremo fare un’altra deviazione.,

Non si può dire se ci si muove (a velocità costante)

Nel 1632, ancor prima che Newton pubblicasse la sua famosa opera, Galileo Galilei scrisse del moto relativo di oggetti familiari ai suoi tempi: le navi.

Se ci si trova in una stanza chiusa su una nave che naviga a velocità costante e la corsa è perfettamente liscia, gli oggetti si comportano come farebbero a terra. Non c’è nessun esperimento fisico che potresti condurre per dire se sei in movimento o fermo (supponendo che non stai sbirciando da un oblò)., Questa è l’idea alla base della relatività, ed è la stessa ragione per cui non sentiamo il movimento del nostro pianeta intorno al sole, o il movimento del nostro sistema solare attraverso la galassia.

Spazio e tempo sono collegati

Quasi 300 anni dopo Galileo, Einstein rifletteva sulle conseguenze della relatività nel contesto di un fattore importante: la velocità della luce., Non era l’unica persona che stava riflettendo su questi argomenti—altri fisici all’epoca erano consapevoli che c’erano domande senza risposta su questo fronte. Ma fu Einstein a formulare una teoria—la sua teoria della relatività specialeglossarirelatività specialela teoria di Einstein sulla relazione tra spazio e tempo, la costanza della velocità della luce e il fatto che la fisica deve essere la stessa in tutti gli stati uniformi di movimento-per spiegare i fenomeni esistenti e creare nuove previsioni., All’inizio, la relatività speciale potrebbe non sembrare avere molto a che fare con la gravità, ma è stato un trampolino di lancio essenziale per Einstein per comprendere la gravità.

Gli orologi in movimento spuntano più lentamente

Gli esperimenti al tempo di Einstein avevano dimostrato che la velocità della luce sembrava essere costante. Non importa quanto velocemente cerchi di recuperare il ritardo, la luce sembra sempre allontanarsi da te a quasi 300.000.000 di metri al secondo.

Perché questo è importante? Bene, immaginiamo di costruire un orologio fuori dalla luce stessa., Due specchi sono posti l’uno di fronte all’altro, e un “segno di spunta” dell’orologio è il tempo necessario per una particella di luce per viaggiare da un lato all’altro e viceversa.

Ora immaginiamo che il tuo amico, che è in una navicella spaziale zippare passato della Terra, è uno di questi orologi., Per il tuo amico, l’orologio sembra funzionare normalmente – le particelle di luce viaggiano su e giù, come previsto, e il tempo procede nel suo solito modo. Ma dal tuo punto di vista, guardando la nave passare, la luce si muove sia su e giù e di lato, con la nave. La luce percorre una distanza maggiore con ogni segno di spunta.,

Quindi, se, per lo spazio viaggiatore, la luce viaggia a pari a 300.000.000 m/s, ma solo a viaggiare su e giù; e per l’osservatore Terrestre, la luce viaggia a pari a 300.000.000 m/s, ma deve percorrere una lunga distanza diagonale; quindi, per l’osservatore Terrestre, l’orologio richiede più tempo per il “tick”.,

Questo effetto è chiamato dilatazione del tempodilatazione del tempo del glossaryil rallentamento del tempo per un osservatore rispetto ad un altro. Più velocemente viaggi nello spazio, più lentamente viaggi nel tempo.

La prospettiva conta

Ma il tempo di chi è veramente rallentato? È la persona sulla Terra, guardando il suo amico zip passato nella sua astronave? O l’astronauta, che sostiene che sta ferma mentre la Terra vola?

Stranamente, entrambi i punti di vista sono validi, ma solo mentre entrambi sono in costante movimento.

Per illustrare, supponiamo che quando l’astronauta lasciò la Terra, lei e la sua amica avessero la stessa età. Quando se ne va, l’astronave accelera lontano dalla Terra. Quando ritorna, l’astronave decelera per evitare un atterraggio di emergenza. Sia in partenza che in ritorno, l’astronave cambia il suo frame di referenceGLOSSARYframe of Referencel’ambiente fisico di un osservatore che coinvolge il loro stato di movimento., Una persona che viaggia in una macchina si trova in un quadro di riferimento diverso rispetto a qualcuno che viaggia in una macchina che va una velocità o direzione diversa, o un pedone a lato della strada, o qualcuno che viaggia in testa in un aereo, ecc., e il nostro astronauta può sentire il cambiamento di moto. Esperimenti condotti all’interno dell’astronave durante l’accelerazione e la decelerazione mostrerebbero che qualcosa sta cambiando. Questo rompe la simmetria della situazione, e quando l’astronave atterra di nuovo sulla Terra, il nostro astronauta sarà davvero più giovane della sua controparte terrestre.,

Gli effetti sono visibili solo se viaggiavano davvero, molto velocemente—ma è comunque vero che quando gli astronauti e i piloti di caccia di oggi torneranno da una missione ad alta velocità, avranno invecchiato un po ‘ meno di noi durante quella missione.

Le quattro dimensioni dello spaziotempo

In seguito a ciò, piuttosto che pensare a tre dimensioni dello spazio e una dimensione separata del tempo, possiamo considerarle come quattro dimensioni dello “spaziotempo”. Più velocemente viaggi nello spazio, più lentamente viaggi nel tempo e viceversa.,

Gli oggetti in movimento si contraggono nello spazio

Un’altra conseguenza della relatività speciale è che gli oggetti in rapido movimento sembrano contrarsi in dimensioni, nella direzione del loro movimento. (E ancora, questo viene capovolto a seconda della prospettiva da cui stai guardando.)

Questo deriva dalla distorsione del tempo—dopo tutto, puoi misurare la lunghezza di qualcosa per la quantità di spazio che qualcosa viaggia nel tempo (ad esempio anni luce, secondi luce). E mentre è difficile immaginare di misurare la lunghezza di un oggetto in movimento dalla prospettiva di qualcun altro, la contrazione della lunghezza è un effetto reale e fisico, e non solo un risultato di misurazioni imprecise.,

A differenza delle differenze di età che possono derivare dalla dilatazione del tempo, non ci sono effetti residui dovuti alla contrazione della lunghezza una volta che l’oggetto in movimento e l’osservatore sono riuniti.

Comprendere la gravità

La descrizione della gravità di Einstein porta a situazioni bizzarre quanto la relatività speciale—viaggi nel tempo inclusi!

L’accelerazione e la gravità possono essere indistinguibili

Immagina di svegliarti in un’astronave, accelerando nello spazio., Proprio come sei spinto indietro sul sedile di un’auto in accelerazione, l’astronave in accelerazione ti spinge verso il lato opposto a quello verso cui sta accelerando. Ad un certo tasso di accelerazione, un insieme di scale potrebbe dirvi che pesate esattamente come si fa quando si è a casa sulla Terra.

C’è qualche esperimento fisico che potresti fare entro i confini della tua astronave per dire se stavi davvero accelerando nello spazio (supponendo che non ci fossero finestre da cui guardare), o se, invece, eri all’interno di un’astronave ferma sulla superficie della Terra? Einstein disse di no – proprio come Galileo immaginava l’indistinguibilità tra una persona all’interno di una nave a vela liscia (confinata senza finestre) e una persona a terra, Einstein si rese conto che anche gli effetti dell’accelerazione e della gravità erano indistinguibili., Questo è chiamato principio di equivalenzaglossaryequivalenzaprincipio Gli effetti dell’essere in un campo gravitazionale sono indistinguibili dagli effetti dell’essere in un quadro di riferimento accelerato.

Lo spazio si deforma sotto movimento accelerato

Una volta che Einstein aveva formulato il principio di equivalenza, la gravità divenne meno misteriosa., Poteva applicare la sua conoscenza dell’accelerazione per comprendere meglio la gravità.

Potresti sapere che l’accelerazione non significa sempre un cambiamento di velocità, come quando acceleri in un’auto, spingendoti sul retro del tuo sedile. Può anche significare un cambiamento di direzione, come quando si va intorno a una rotonda, causando a inclinarsi verso il lato della macchina.

Per estenderlo ulteriormente, immaginiamo un giro di carnevale cilindrico in cui tu e i tuoi compagni di viaggio siete bloccati sulla superficie esterna. Il cilindro viene ruotato sempre più velocemente fino a quando l’accelerazione si attenua e il movimento rimane costante., Ma anche una volta che la velocità è costante, senti ancora il movimento accelerato-ti senti bloccato sul bordo esterno della corsa.

Se questo giro di filatura fosse abbastanza grande e si muovesse ad una velocità abbastanza veloce, inizieresti a notare alcuni effetti bizzarri all’interno del giro stesso, non solo dal punto di vista di qualcuno che si trova al di fuori di esso.,

Ad ogni rotazione, quelli sul bordo della corsa percorrono l’intera circonferenza del cilindro—mentre al centro, non c’è quasi nessun movimento. Quindi, se qualcuno si trovasse al centro della corsa (forse tenuto da un tutore, impedendogli di cadere sul bordo), noterebbe tutti quegli strani effetti che abbiamo visto sotto la relatività speciale—che quelli sul bordo si contrarranno di lunghezza, e i loro orologi ticchetteranno a un ritmo più lento.,

La gravità è la curvatura dello spaziotempo

Il principio di equivalenza ci dice che gli effetti della gravità e dell’accelerazione sono indistinguibili. Pensando all’esempio della corsa cilindrica, vediamo che il movimento accelerato può deformare lo spazio e il tempo. È qui che Einstein ha collegato i punti per suggerire che la gravità è la deformazione dello spazio e del tempo. La gravità è la curvatura dell’universo, causata da corpi massicci, che determina il percorso che gli oggetti viaggiano. Quella curvatura è dinamica, si muove mentre quegli oggetti si muovono.,

Questa teoria, relativitàglossariorelatività generalela teoria della gravità di Einstein predice tutto, dalle orbite delle stelle alla collisione degli asteroidi alle mele che cadono da un ramo alla terra—tutto ciò che ci si aspetta da una teoria della gravità.,

Lo spaziotempo afferra la massa, dicendole come muoversi… Mass afferra lo spaziotempo, raccontandolo come curvare il fisico John Wheeler