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…
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.
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.
Un attimo di pausa nella lunga avventura della relatività ristretta o speciale. Lo scopo finale è quello di rappresentarla in un diagramma spaziotemporale di estrema semplicità grafica e di leggera complessità interpretativa. E’ venuta l’ora di rivedere e ragionare sopra i concetti espressi finora, le basi di tutta la teoria. Poi continueremo nel nostro viaggio entusiasmante.
La trasformazione di Lorentz ci permette di descrivere -e comprendere- con estrema facilità la contrazione della lunghezza di un oggetto in moto rispetto all’osservatore. Un altro effetto, apparentemente assurdo, non è altro che una logica conseguenza dei postulati di Einstein.
E’ giunta l’ora di utilizzare praticamente la trasformazione ricavata partendo solo e soltanto dai postulati di Einstein. Verifichiamo che quanto preannunciato dalla relatività della sincronizzazione porta proprio a tempi diversi a seconda del sistema in cui si svolgono le misure. Capiamo ancora meglio che non è il tempo in sé che cambia, ma la misura di esso eseguita in sistemi diversi. Nel frattempo, siamo affascinati dall’estrema importanza del fattore di Lorentz.
In questo articolo di “passaggio” facciamo qualche riflessione sul vero significato di relatività e, in seguito, mostriamo come sia facile crearsi un sistema di riferimento a quattro dimensioni che abbiano la stessa unità di misura: il vero e proprio spaziotempo. Minkowski si avvicina sempre di più.
Il verbo restringere ha un doppio senso: limitare gli argomenti trattati e restringere la ... relatività. Senza relatività ristretta, la relatività generale e i suoi attori principali rischiano di restare misteri troppo ... misteriosi. Insomma, basta con i palloncini e gli imbuti, le sfere piatte e i piani sferici! Mettiamoli da parte tirandoli fuori quando avremo imparato a disegnare lo spaziotempo.
Iniziamo la relatività speciale sfruttando i viaggi spaziali e andando a cercare qualche “scoop” tra i responsabili di un astronave, che si sono appena risvegliati dall’ibernazione, resasi necessaria per spingerli fino a distanze fuori dalla nostra immaginazione. La confusione che nasce nell’equipaggio può essere risolta solo grazie a Einstein.
Lo, lo so, non picchiatemi. Avevo promesso di scrivere articoli brevi e invece ve ne propino uno piuttosto lungo. Tuttavia, ci sono almeno tre ragioni per non avere mantenuto la promessa. Innanzitutto, la prima parte riprende tale e quale quanto già scritto non molto tempo fa e quindi è né più né meno che un ripasso. La seconda è estremamente intuitiva e banale, soprattutto dopo aver seguito l’avventura di CE & Co. La terza, un po’ più “complicata”, non è divisibile: lo spazio-tempo galileiano deve essere mandato giù tutto assieme come una medicina… Non fatevi ingannare dall’apparente semplicità del diagramma. Deve diventare un amico fraterno e senza segreti se vogliamo proseguire verso quello di Minkowsky.
Mentre andiamo avanti piano piano con la relatività ristretta, voglio riproporre ai più esperti un metodo elegante e “osservativo” per risolvere il paradosso dei gemelli, basandosi solo sulla teoria che stiamo costruendo. Gli altri possono già leggerlo, ma diventerà del tutto comprensibile quando ne sapranno di più. Magari lo metterò in evidenza al momento opportuno e lo inserirò all'interno della relatività. Ancora una volta vedremo quanto sia importante la meccanica classica e lo studio delle funzioni. Tra velocità della luce variabile e orologi che perdono “colpi”, cerco di accontentare un po’ tutti… Ah... state tranquilli che non ho dimenticato il momento angolare e nemmeno la matematica. Che bello essere in pensione e non avere niente da fare!