Teoria della relatività di Einstein

La teoria della relatività di Einstein è una teoria famosa, ma è poco compresa. La teoria della relatività si riferisce a due diversi elementi della stessa teoria: relatività generale e relatività speciale. La teoria della relatività speciale è stata introdotta per prima e in seguito è stata considerata un caso speciale della teoria più completa della relatività generale.

La relatività generale è una teoria della gravitazione sviluppata da Albert Einstein tra il 1907 e il 1915, con contributi di molti altri dopo il 1915.

Teoria dei concetti di relatività

La teoria della relatività di Einstein comprende l'interazione di diversi concetti, tra cui:

• La teoria della relatività speciale di Einstein - comportamento localizzato di oggetti in strutture di riferimento inerziali, generalmente rilevanti solo a velocità molto vicine alla velocità della luce
• Trasformazioni di Lorentz - le equazioni di trasformazione utilizzate per calcolare le variazioni delle coordinate in relatività speciale
• Teoria della relatività generale di Einstein - la teoria più completa, che tratta la gravità come un fenomeno geometrico di un sistema di coordinate dello spaziotempo curvo, che include anche strutture di riferimento non inerziali (cioè acceleranti)
• Principi fondamentali di relatività

Che cos'è la relatività?

La relatività classica (definita inizialmente da Galileo Galilei e perfezionata da Sir Isaac Newton) comporta una semplice trasformazione tra un oggetto in movimento e un osservatore in un altro quadro di riferimento inerziale. Se stai camminando su un treno in movimento e qualcuno fermo a terra sta guardando, la tua velocità relativa all'osservatore sarà la somma della tua velocità relativa al treno e la velocità del treno rispetto all'osservatore. Sei in un quadro di riferimento inerziale, il treno stesso (e chiunque sia seduto su di esso) si trova in un altro e l'osservatore è in un altro ancora.

Il problema con questo è che si credeva che la luce, nella maggior parte del 1800, si propagasse come un'onda attraverso una sostanza universale nota come etere, che avrebbe contato come un quadro di riferimento separato (simile al treno nell'esempio precedente ). Il famoso esperimento Michelson-Morley, tuttavia, non era riuscito a rilevare il movimento della Terra rispetto all'etere e nessuno poteva spiegarne il motivo. Qualcosa non andava nell'interpretazione classica della relatività applicata alla luce ... e quindi il campo era maturo per una nuova interpretazione quando Einstein arrivò.

Introduzione alla relatività speciale

Nel 1905, Albert Einstein pubblicò (tra le altre cose) un articolo intitolato "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento" sulla rivista Annalen der Physik. L'articolo presentava la teoria della relatività speciale, basata su due postulati:

Postulati di Einstein

Principio di relatività (primo postulato): Le leggi della fisica sono le stesse per tutti i sistemi di riferimento inerziali.

Principio di costanza della velocità della luce (secondo postulato): La luce si propaga sempre attraverso un vuoto (cioè spazio vuoto o "spazio libero") a una velocità definita, c, che è indipendente dallo stato di movimento del corpo emittente.

In realtà, l'articolo presenta una formulazione matematica più formale dei postulati. Il fraseggio dei postulati è leggermente diverso dal libro di testo al libro di testo a causa di problemi di traduzione, dal tedesco matematico all'inglese comprensibile.

Il secondo postulato è spesso erroneamente scritto per includere che la velocità della luce nel vuoto è c in tutti i frame di riferimento. Questo è in realtà un risultato derivato dei due postulati, piuttosto che parte del secondo postulato stesso.

Il primo postulato è praticamente di buon senso. Il secondo postulato, tuttavia, fu la rivoluzione. Einstein aveva già introdotto la teoria dei fotoni della luce nel suo articolo sull'effetto fotoelettrico (che rendeva inutile l'etere). Il secondo postulato, quindi, era una conseguenza dei fotoni senza massa che si muovevano alla velocità c nel vuoto. L'etere non ha più avuto un ruolo speciale come quadro di riferimento inerziale "assoluto", quindi non era solo non necessario ma qualitativamente inutile sotto una relatività speciale.

Per quanto riguarda il documento stesso, l'obiettivo era di conciliare le equazioni di Maxwell per l'elettricità e il magnetismo con il movimento degli elettroni vicino alla velocità della luce. Il risultato del lavoro di Einstein fu di introdurre nuove trasformazioni di coordinate, chiamate trasformazioni di Lorentz, tra quadri di riferimento inerziali. A basse velocità, queste trasformazioni erano essenzialmente identiche al modello classico, ma ad alte velocità, vicino alla velocità della luce, producevano risultati radicalmente diversi.

Effetti della relatività speciale

La relatività speciale produce diverse conseguenze dall'applicazione delle trasformazioni di Lorentz ad alte velocità (vicino alla velocità della luce). Tra questi ci sono: