Rispondendo all’ultimo quiz sulla simultaneità, introduciamo ufficialmente il diagramma di Minkowski. Questa parte è estremamente semplice, ma il concetto deve essere compreso molto bene per non andare in crisi non appena introdurremo una nuova distanza invariante.
Innanzitutto, devo chiedere scusa a SuperMagoAlex, mio insostituibile amico-collega-assistente. Tra pochi giorni terrà una conferenza a un pubblico di astrofili e appassionati sul concetto di “tempo” o giù di lì. Un’impresa non facile che lo sta occupando a "tempo" (quasi) pieno. Mi ha chiesto personalmente di non inserire nuovi quiz che lo distrarrebbero… Però, però, Lorentz mi ha contattato, mi ha “bacchettato” e devo intervenire. Inserisco, quindi, un nuovo quiz analogo a quello precedente. Tuttavia, non darò la risposta fino a quando SMA non avrà avuto il tempo di dedicargli un po’ di tempo (più o meno una settimana). L’attesa avrà come premio la pubblicazione, sul sito del nostro “circolo”, dell’intera conferenza. Forza SMA siamo tutti con te! Gli altri, intanto, facciano un po’ di ripasso e qualche piccola operazione matematica. Come vedete, il quiz ha solo due asterischi e quindi è veramente facile…
La determinazione della linea di simultaneità è fondamentale per entrare nel mondo del diagramma di Minkowski. La determineremo anche matematicamente, ma prima è molto meglio ricavarla in modo grafico e immediato (o quasi…). Essa ci descrive l’asse x’ da accoppiare a t’, per un sistema in movimento, ed è la base per descrivere la dilatazione dei tempi e la contrazione delle lunghezze.
Le difficoltà che intuisco dalla mancanza di risposte al quiz, mi fa temere che il concetto di relatività della simultaneità non sia stato compreso perfettamente. Cerco di spiegarlo ancora meglio per dare un ulteriore aiuto alla risoluzione del quiz. Forse, però, è tutta la relatività ristretta che incute paura. Non so se proseguire oppure no con la RR… Che mi dite?
Il quiz che vi pongo DEVE essere risolto graficamente e solo attraverso la logica. Non è necessario (anzi NON voglio proprio) che siano utilizzate le formule che abbiamo imparato finora (capito Alvy...?). La motivazione del quiz è solo quella di capire se abbiamo digerito bene i concetti descritti finora e che ci hanno permesso di creare le basi fondamentali della relatività ristretta. Qualsiasi formula, che non sia una semplice proporzione, è del tutto inutile, dato che l’argomento sarà affrontato con ben altra attenzione nel seguito della nostra avventura nello spaziotempo di Minkowski.
Abbiamo parlato spesso di punti lagrangiani, di asteroidi troiani, di lobi di Roche e di cose simili. Tuttavia, è ora di cercare di determinare questi celebri punti, dovuti al grande matematico italiano de La Grangia (malgrado i francesi abbiano cercato di strapparcelo cambiando anche il suo nome). Cerchiamo soltanto… dato che possiamo arrivare solo all’equazione da risolvere. Poi la matematica necessaria prende il volo.
Per far contento Alvy (ho cercato di prevedere i suoi commenti… alieni), ho deciso di inserire anche la derivazione del raggio di Hill, eseguita in modo meno approssimato, anche se ai fini pratici le cose non cambiano di molto. Inoltre, il metodo non mi piace più di tanto… Che ci volete fare, anche la meccanica comporta preferenze…
La sfera di Hill è particolarmente utile nello studio delle orbite dei satelliti artificiali, dato che pone limiti abbastanza severi per essere sicuri che le perturbazione esterne non causino derive della traiettoria. Anche se si avvicina molto alla definizione di punto lagrangiano, la base concettuale è decisamente diversa. Essa serve per inserire qualcosa in orbita attorno a un corpo che ruota attorno a un altro più massiccio; il punto L1 stabilisce invece un punto di equilibrio tale che un corpo inserito in quella posizione rimanga fermo rispetto al sistema rotante delle due masse principali. Una determinazione accurata è tutto meno che semplice, e ci si accontenta, normalmente, di una approssimazione che risulta del tutto sufficiente se si rimane abbondantemente all’interno della sfera.
Come ho già detto, avrei intenzione di cercare di introdurre al meglio queste “grandezze” fisiche, che sembrano essere più o meno la stessa cosa, ma che differiscono soprattutto per l’approccio con cui sono state introdotte e definite. Parliamoci chiaro: nessuna è ottenibile facilmente e nella maggior parte dei casi se ne dà solo una visione approssimata.
Questa è la prima parte della Teoria della Relatività Ristretta o Speciale. Si parte dalla relatività galileiana e si arriva agli effetti che derivano dai postulati di Einstein: dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze. Facciamo conoscenza con la trasformazione di Lorentz , il passo fondamentale per passare da spazio e tempo a spaziotempo. Ricordiamo che l'intera teoria si riferisce SOLO a sistemi di riferimento in moto rettilineo uniforme tra loro. Non sono quindi valutate le deformazioni spaziotemporali causate dalla gravità e dalla sua accelerazione. La relatività ristretta è quindi una teoria perfettamente simmetrica e niente ha a che vedere con le deformazioni univoche causate dalla relatività generale. Negli articoli seguenti, si toccheranno le ripercussioni della relatività ristretta sulle varie grandezze fisiche (tra cui la celebre E = mc2) e la sua rappresentazione nel diagramma spaziotemporale di Minkowski.
Prima di proseguire con la composizione delle velocità in ambiente relativistico, fermiamoci un attimo a raccontare una favola un po’ triste che raccontano su Papalla. I personaggi principali sono i muoni, piccole particelle subatomiche. Sulla Terra, la favola è diventata realtà.
Con questo articolo di carattere "pratico" possiamo dire di avere concluso la base della relatività speciale o ristretta. Vi sono adesso due strade da seguire. Una ci porta alla sua rappresentazione nel celebre diagramma di Minkowski, l'altra alle conseguenze della nuova teoria sulle varie grandezze fisiche, nonché alla celeberrima formula che lega energia e massa. Devo ancora decidere quale delle due imboccare per prima. Tuttavia, per permettere di fare un ripasso più accurato della fase iniziale. e più fondamentale, ho pensato di riunire tutti gli articolo in uno solo e inserirlo prima in evidenza e poi negli approfondimenti. Lo chiameremo "Le basi della RR". Chi non ha seguito i primi quattordici capitoli avrà tempo di rivederseli con calma e in modo consecutivo; nel frattempo io cercherò di organizzare a andare avanti con la seconda parte.
Vi chiedo perdono per due motivi. Innanzitutto, perché il problema fisico (ma anche matematico) è di estrema semplicità. Inoltre, perché ho scritto un articolo di risposta assurdamente lungo per ciò che si chiedeva. Spero, però, che serva a fare un bel ripasso di derivate e limiti…
Su "insistenza" di Alvy (l'alieno), studiamo con maggiore attenzione ciò che capiterebbe all'orbita terrestre se la massa del Sole dovesse istantaneamente ridursi (trascurando tutti gli effetti di tipo fisico). Il "gioco" è abbastanza interessante. Tuttavia, non pretendiamo di andare ancora oltre... un bel gioco dura ... poco!
Dopo aver ricavato la dilatazione dei tempi, possiamo facilmente ricavare la contrazione delle lunghezze, sempre utilizzando il fantastico orologio di luce. Ci rendiamo conto che una conseguenza della relatività implica automaticamente l’altra e viceversa.
Il piccolo quiz non voleva introdurre nessun problema di dinamica complessa e/o relativistica, né –tantomeno- comportare sconvolgimenti fisici del Sistema Solare. Voleva essere solo un “gioco” legato a una soluzione istantanea. Poi, ognuno, può vederci i risvolti più reconditi, non ultimo il legame con i gravitoni che potrebbero ritardare gli effetti della riduzione di massa solare.
Questo quiz non ha avuto molto successo (pochissimi lettori). Forse i quiz sono diventati troppo frequenti. Va bene, sospendiamo per un po’… Comunque sia, diamo la soluzione che si articola in due fasi e introduce un concetto importantissimo in meccanica: il pendolo balistico. Dapprima il papallo deve calcolare la distanza d attraverso un po’ di facile trigonometria e poi deve diventare lui stesso un pendolo balistico appendendosi a un ramo con la corda e facendosi sparare addosso un proiettile con una velocità perfettamente calcolata attraverso la conservazione della quantità di moto e dell’energia