Comprensione degli effetti di dilatazione del tempo in fisica

La dilatazione del tempo è il fenomeno in cui due oggetti che si muovono l'uno rispetto all'altro (o anche solo con una diversa intensità del campo gravitazionale l'uno dall'altro) sperimentano velocità diverse del flusso temporale.

Dilatazione del tempo di velocità relativa

La dilatazione del tempo vista a causa della velocità relativa deriva dalla relatività speciale. Se due osservatori, Janet e Jim, si muovono in direzioni opposte e mentre si incrociano, notano che l'orologio dell'altra persona sta ticchettando più lentamente del proprio. Se Judy stesse correndo accanto a Janet alla stessa velocità nella stessa direzione, i loro orologi ticchetterebbero alla stessa velocità, mentre Jim, andando nella direzione opposta, vede entrambi avere orologi a ticchettio più lento. Il tempo sembra passare più lentamente per la persona osservata che per l'osservatore.

Dilatazione del tempo gravitazionale

La dilatazione del tempo dovuta all'essere a distanze diverse da una massa gravitazionale è descritta nella teoria generale della relatività. Più sei vicino a una massa gravitazionale, più lenta sembra che il tuo orologio ticchetti a un osservatore più lontano dalla massa. Quando un'astronave si avvicina a un buco nero di massa estrema, gli osservatori vedono il tempo rallentare fino a gattonare.

Queste due forme di dilatazione del tempo si combinano per un satellite in orbita attorno a un pianeta. Da un lato, la loro velocità relativa rispetto agli osservatori a terra rallenta il tempo per il satellite. Ma la maggiore distanza dal pianeta significa che il tempo passa più velocemente sul satellite che sulla superficie del pianeta. Questi effetti possono annullarsi a vicenda, ma possono anche significare che un satellite più basso ha clock più lenti rispetto alla superficie mentre i satelliti con orbita più alta hanno orologi che corrono più velocemente rispetto alla superficie.

Esempi di dilatazione temporale

Gli effetti della dilatazione del tempo sono spesso usati nelle storie di fantascienza, risalenti almeno agli anni '30. Uno dei primi e più noti esperimenti di pensiero per caratterizzare la dilatazione del tempo è il famoso Twin Paradox, che dimostra i curiosi effetti della dilatazione del tempo nella sua forma più estrema.

La dilatazione del tempo diventa più evidente quando uno degli oggetti si muove quasi alla velocità della luce, ma si manifesta a velocità ancora più lente. Ecco alcuni modi in cui sappiamo che la dilatazione temporale ha effettivamente luogo:

• Gli orologi degli aeroplani scattano a velocità diverse rispetto agli orologi a terra.
• Mettendo un orologio su una montagna (elevandolo in tal modo, ma mantenendolo fermo rispetto all'orologio terrestre) si ottengono velocità leggermente diverse.
• Il sistema di posizionamento globale (GPS) deve adattarsi alla dilatazione del tempo. I dispositivi a terra devono comunicare con i satelliti. Per funzionare, devono essere programmati per compensare le differenze di tempo in base alla velocità e alle influenze gravitazionali.
• Alcune particelle instabili esistono per un brevissimo periodo di tempo prima del decadimento, ma gli scienziati possono osservarle come più durature perché si muovono così velocemente che la dilatazione del tempo significa che il tempo in cui le "esperienze" prima del decadimento è diverso dal tempo vissuto nel laboratorio a riposo che sta facendo le osservazioni.
• Nel 2014, un gruppo di ricerca ha annunciato la conferma sperimentale più precisa di questo effetto ancora elaborata, come descritto in a Scientific American articolo. Hanno usato un acceleratore di particelle per confermare che il tempo si muove più lentamente per un orologio in movimento che per uno fisso.