giovedì 18 agosto 2016

8 modi in cui puoi vedere applicata la teoria della relatività di Einstein nella vita reale


La relatività è una delle più famose teorie scientifiche del 20° secolo, ma quanto bene spiega le cose che vediamo nella nostra vita quotidiana?

Formulata da Albert Einstein nel 1905, la teoria della relatività è l'idea che le leggi della fisica sono le stesse ovunque. La teoria spiega il comportamento degli oggetti nello spazio e nel tempo, e può essere usata per predire tutto dall'esistenza dei buchi neri, alla curvatura della luce a causa della gravità, al comportamento del pianeta Mercurio nella sua orbita.

La teoria è ingannevolmente semplice. In primo luogo, non esiste una struttura "assoluta" di riferimento. Ogni volta che si misura la velocità di un oggetto, o il suo momento, o come sperimenta il tempo, è sempre in relazione a qualcos'altro. In secondo luogo, la velocità della luce è la stessa indipendentemente da chi la misura e da quanto velocemente viaggia la persona che fa la misurazione. In terzo luogo, nulla può andare più veloce della luce.

Le implicazioni della più famosa teoria di Einstein sono profonde. Se la velocità della luce è sempre la stessa, significa che un astronauta che va molto veloce rispetto alla Terra misurerà i secondi in modo più lento rispetto ad un osservatore che si trova sulla Terra - il tempo rallenta sostanzialmente per l'astronauta, un fenomeno chiamato dilatazione del tempo.

Qualsiasi oggetto in un grande campo gravitazionale accelera, e sperimenterà anche la dilatazione del tempo. Nel frattempo, la nave spaziale dell'astronauta sperimenterà la contrazione della lunghezza, il che significa che se si farà una foto della navicella durante il volo, apparirebbe come se fosse "schiacciata" nella direzione del moto. Per l'astronauta a bordo, però, tutto sembrerebbe normale. Inoltre, la massa della navicella sembrerebbe aumentare dal punto di vista delle persone sulla Terra.

Ma non è necessario che una navicella spaziale voli a velocità prossime a quella della luce per vedere gli effetti relativistici. In realtà, ci sono diversi casi di relatività che possiamo vedere nella nostra vita quotidiana, e anche le tecnologie che utilizziamo oggi dimostrano che Einstein aveva ragione. Ecco alcuni modi per vedere in azione la relatività.

1. Global Positioning System

Perchè il navigatore GPS della vostra auto funzioni nel modo accurato in cui funziona, i satelliti devono prendere in considerazione gli effetti relativistici. Questo perché, anche se i satelliti non si muovono ad una velocità vicina a quella della luce, essi sono comunque abbastanza veloci. I satelliti inviano anche segnali alle stazioni sulla Terra. Queste stazioni (e le unità GPS in auto) sperimentano tutte accelerazioni superiori a causa della gravità rispetto ai satelliti in orbita.

Per ottenere che la precisione sia millimetrica, i satelliti usano orologi che hanno una precisione di pochi miliardesimi di secondo (nanosecondi). Dal momento che ogni satellite è situato 12.600 miglia (20.300 chilometri) sopra la Terra e si muove a circa 6.000 miglia all'ora (10.000 km/h), c'è una dilatazione del tempo relativistica che vira su circa 4 microsecondi ogni giorno. Aggiungete gli effetti della gravità e il divario arriva a circa 7 microsecondi. Che diventano 7.000 nanosecondi.

La differenza è reale: se non si contassero gli effetti relativistici, una unità GPS che ti dicesse che ci vuole mezzo miglio (0,8 km) alla prossima stazione di servizio ti darebbe l'indicazione sbagliata di 5 miglia (8 km) dopo un solo giorno.

2. elettromagneti

Il magnetismo è un effetto relativistico, e possiamo ringraziare la relatività per il fatto che i generatori funzionano.

Se si prende un anello di filo e lo si fa muovere attraverso un campo magnetico, si genera una corrente elettrica. Le particelle cariche nel filo sono influenzate dal campo magnetico variabile, che obbliga alcune di loro a spostarsi e crea la corrente.

Ma ora, immaginate il filo a riposo e immaginate che sia il magnete in movimento. In questo caso, le particelle cariche nel filo (gli elettroni e protoni) non si muovono più, quindi il campo magnetico non dovrebbe più influenzarli. Ma lo fa, e una corrente scorre ancora. Questo dimostra che non vi è nessuna struttura di riferimento privilegiato.

Thomas Moore, professore di fisica presso il Pomona College di Claremont, California, utilizza il principio della relatività per dimostrare perchè la legge di Faraday, in cui si afferma che un campo magnetico variabile genera una corrente elettrica, è vera.

"Dal momento che questo è il principio di base dietro ai trasformatori e ai generatori elettrici, chi usa l'elettricità sta sperimentando gli effetti della relatività", ha detto Moore.

Gli elettromagneti funzionano anch'essi tramite la relatività. Quando una corrente elettrica diretta scorre attraverso un filo, gli elettroni sono alla deriva attraverso il materiale. Normalmente il filo sembrerebbe elettricamente neutro, senza carica netta positiva o negativa. Questa è una conseguenza di avere lo stesso numero di protoni (cariche positive) ed elettroni (cariche negative). Ma, se si mette un altro filo accanto ad esso con una corrente continua, i fili si attraggono o respingono, a seconda della direzione in cui la corrente è in movimento.

Supponendo che le correnti si muovano nella stessa direzione, gli elettroni del primo filo vedono gli elettroni del secondo filo come immobili (premesso che le correnti abbiano circa la stessa forza). Nel frattempo, dal punto di vista degli elettroni, i protoni in entrambi i fili sembra si stiano muovendo. A causa della contrazione delle lunghezze relativistiche, sembrano essere più strettamente posizionati, quindi c'è più carica positiva per lunghezza di filo che carica negativa. Dal momento che le cariche si respingono, i due fili anche si respingono.

Correnti che vanno in direzioni opposte determinano l'attrazione, perché dal punto di vista del primo filo, gli elettroni dell'altro filo sono più ammassati, creando una carica negativa netta. Nel frattempo, i protoni nel primo filo stanno creando una carica positiva netta, e cariche opposte si attraggono.

3. Il Colore Giallo dell'oro

La maggior parte dei metalli sono lucidi poiché gli elettroni negli atomi saltano da differenti livelli di energia, detti "orbitali". Alcuni fotoni che colpiscono il metallo vengono assorbiti e riemessi, anche se a una lunghezza d'onda più lunga. Molta luce visibile, però, si riflette solo.

L'oro è un atomo pesante, così i suoi elettroni interni si muovono abbastanza velocemente quando l'aumento la massa relativistica è significativo, così come la contrazione della lunghezza. Come risultato, gli elettroni girano attorno al nucleo in percorsi più brevi, con più slancio. Gli elettroni in orbitali interni trasportano energia che è più vicina all'energia degli elettroni esterni, e le lunghezze d'onda che vengono assorbite e riflesse sono più lunghe.

Una lunghezza d'onda maggiore della luce fa sì che una parte della luce visibile che di solito viene riflessa viene assorbita, e questa luce appartiene alle lunghezze d'onda tendenti al blu dello spettro. La luce bianca è un mix di tutti i colori dell'arcobaleno, ma nel caso dell'oro, quando la luce viene assorbita e riemessa le lunghezze d'onda sono solitamente più lunghe. Ciò significa che il mix di onde luminose che vediamo tende ad avere meno blu e viola. Questo rende l'oro apparentemente di colore giallastro poichè giallo chiaro, arancione e rosso hanno una lunghezza d'onda più lunga del blu.

4. L'oro non si corrode facilmente

L'effetto relativistico sugli elettroni dell'oro è anche uno dei motivi per cui il metallo non si corrode e non reagisce facilmente con qualsiasi altra cosa.

L'oro ha un solo elettrone nel suo guscio esterno, ma non è così reattivo come nel calcio o nel litio. Gli elettroni dell'oro, invece sono più "pesanti" di quanto dovrebbero essere, sono tutti tenuti più vicino al nucleo atomico. Ciò significa che l'elettrone più esterno, è improbabile che sia in un posto dove può reagire con altri - è altrettanto probabile che sia tra i suoi compagni elettroni che sono vicino al nucleo.

5. Il mercurio è liquido

Simile all'oro, anche il mercurio è un atomo pesante, con elettroni tenuto vicino al nucleo a causa della loro velocità e il conseguente aumento di massa. Nel mercurio, i legami tra i suoi atomi sono deboli, quindi il mercurio fonde a temperature più basse ed è tipicamente un liquido quando lo vediamo.

6. il vostro vecchio televisore

Solo pochi anni fa, la maggior parte dei televisori e dei monitor avevano schermi a tubo a raggi catodici. Un tubo catodico funziona sparando elettroni su di una superficie trattata con fosforo tramite un grande magnete. Ogni elettrone creava un pixel luminoso quando colpiva la parte posteriore dello schermo. Gli elettroni erano puntati per far muovere l'immagine fino al 30 per cento della velocità della luce. effetti relativistici sono evidenti, e quando i produttori hanno progettato i magneti, hanno dovuto prendere in considerazione tali effetti.

7. Luce

Se Isaac Newton avesse avuto ragione nel ritenere che ci sono regole assolute, avremmo dovuto trovare una spiegazione diversa per la luce, perché con tali regole non sarebbe esistita.

"Non solo non sarebbe esistito il magnetismo ma nemmeno la luce, perché la relatività richiede che i cambiamenti in un campo elettromagnetico si muovano ad una velocità finita, invece che istantaneamente," dice Moore, del Pomona College. "Se la relatività non rispettasse questo requisito... i cambiamenti dei campi elettrici verrebbero comunicati istantaneamente... invece che attraverso le onde elettromagnetiche, e sia il magnetismo e la luce sarebbero inutili."

8. Impianti Nucleari e Supernove

La relatività è uno dei motivi per cui massa ed energia possono essere convertiti l'una nell'altra, che è il modo in cui funzionano le centrali nucleari, e il meccanismo che fa splendere il sole. Un altro effetto importante si ha nelle esplosioni di supernova, che segnano la morte di stelle massicce.

"Le [Supernove] esistono perché gli effetti relativistici superano gli effetti quantistici nel nucleo di una stella sufficientemente massiccia, permettendole così di collassare di colpo sotto il loro stesso peso fino a diventare una stella di neutroni molto più piccola e densa", ha detto Moore.

In una supernova, gli strati esterni della stella crollano verso il suo cuore e creano una gigantesca esplosione che, tra le altre cose, crea elementi più pesanti del ferro. In realtà, quasi tutti gli elementi pesanti che ci sono familiari nascono nelle supernove.

"Noi siamo fatti di materiale creato e disperso dalle [supernove]", ha detto Moore. "Se la relatività non esistesse, anche le stelle più massicce finirebbero la loro vita come nane bianche, senza esplodere, e noi non saremmo in giro a pensarci."

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