Albert Einstein era famoso per molte cose, ma la sua più grande idea 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 l'idea che le leggi della fisica siano le stesse ovunque. Noi qui sulla Terra obbediamo alle stesse leggi di luce e gravità di qualcuno in un angolo lontano dell'universo.
L'universalità della fisica significa che la storia è provinciale. Diversi spettatori vedranno i tempi e la spaziatura degli eventi in modo diverso. Quello che per noi è un milione di anni potrebbe essere solo un battito di ciglia per qualcuno che vola in un razzo ad alta velocità o cade in un buco nero.
È tutto relativo.
Relatività speciale
La teoria di Einstein è divisa in relatività speciale e generale.
La relatività speciale è venuta prima e si basa sulla velocità della luce che è costante per tutti. Ciò può sembrare abbastanza semplice, ma ha conseguenze di vasta portata.
Einstein giunse a questa conclusione nel 1905 dopo che le prove sperimentali mostrarono che la velocità della luce non cambiava mentre la Terra oscillava intorno al sole.
Questo risultato è stato sorprendente per i fisici perché la velocità della maggior parte delle altre cose dipende da quale direzione si sta muovendo l'osservatore. Se guidi la tua auto lungo un binario ferroviario, un treno che arriva verso di te sembrerà muoversi molto più velocemente rispetto a quando ti giravi e lo seguivi nella stessa direzione.
Einstein ha affermato che tutti gli osservatori misureranno la velocità della luce in 186.000 miglia al secondo, indipendentemente dalla velocità e dalla direzione in cui si stanno muovendo.
Questa massima ha spinto il comico Stephen Wright a chiedere: "Se sei su 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 la nave che vola, 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 diversi osservatori. Se la velocità della luce deve essere mantenuta costante come diceva Einstein, allora il tempo e lo spazio non possono essere assoluti; devono essere soggettivi.
Ad esempio, un'astronave lunga 100 piedi che viaggia al 99,99% della velocità della luce apparirà lunga un piede a un osservatore stazionario, ma rimarrà la sua lunghezza normale per quelli a bordo.
Forse anche più strano, il tempo passa più lentamente più veloce va. Se una gemella cavalca sull'astronave in corsa verso qualche stella lontana e poi ritorna, sarà più giovane di sua sorella che rimase sulla Terra.
Anche la massa dipende dalla velocità. Più veloce si muove un oggetto, più diventa massiccio. In effetti, 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 energia, m è massa e c è la velocità della luce.
Relatività generale
Einstein non ha fatto sconvolgere la nostra comprensione del tempo e dello spazio. Ha continuato a generalizzare la sua teoria includendo l'accelerazione e ha scoperto che ciò ha distorto la forma del tempo e dello spazio.
Per seguire l'esempio sopra: immagina che l'astronave acceleri sparando i suoi propulsori. Quelli a bordo rimarranno a terra proprio come se fossero sulla Terra. Einstein affermò che la forza che chiamiamo gravità è indistinguibile dall'essere in una nave in accelerazione.
Questo da solo non era così rivoluzionario, ma quando Einstein elaborò la complessa matematica (ci vollero 10 anni), scoprì che lo spazio e il tempo sono curvati vicino a un oggetto enorme, 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 sorta di tessuto, un oggetto massiccio allunga il tessuto circostante in modo tale che qualsiasi cosa che passa nelle vicinanze non segua più una linea retta.
Le equazioni della relatività generale prevedono una serie di fenomeni, molti dei quali sono stati confermati:
- flessione della luce attorno a oggetti voluminosi (lente gravitazionale)
- una lenta evoluzione nell'orbita del pianeta Mercurio (precessione del perielio)
- trascinamento della cornice dello spazio-tempo attorno ai corpi rotanti
- indebolimento della luce che sfugge alla forza di gravità (spostamento rosso gravitazionale)
- onde gravitazionali (increspature nel tessuto spazio-temporale) causate da frammenti cosmici
- l'esistenza di buchi neri che intrappolano tutto, inclusa la luce
La deformazione dello spazio-tempo attorno a un buco nero è più intensa che altrove. Se la gemella spaziale fosse caduta in un buco nero, sarebbe stata distesa come spaghetti.
Fortunatamente per lei, sarebbe finita in pochi secondi. Ma sua sorella sulla Terra non l'avrebbe mai vista finire, osservando la sua povera sorella avanzare progressivamente verso il buco nero durante l'età dell'universo.
Questo articolo è stato aggiornato il 2 luglio 2019 dal collaboratore di Live Science Tim Childers.
