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2015-09-14

Teoria della relatività spiegata a un bambino


Il sistema di posizionamento satellitare GPS funziona solo se si tiene conto della Relatività Generale. Ma di cosa si tratta? La Teoria della Relatività è un colossale edificio concettuale sorto in Germania all'inizio del '900. Questo straordinario modello della realtà è diventato imprescindibile per lo sviluppo della fisica teorica e ha introdotto nella scienza, e in parte nel comune sentire, concetti apparentemente assurdi, del tutto contrari all'intuizione e persino alla logica. 
Secondo Einstein, l’ideatore della Teoria della Relatività, lo spazio ed il tempo si deformano in prossimità di corpi molto massicci (stelle, pianeti, etc.) oppure quando un corpo si muove a una velocità tanto elevata da essere comparabile a quella della luce. In tali situazioni lo spazio si “accorcia” ed il tempo “rallenta”. Questi singolari fenomeni di deformazione dello spazio e del tempo sono tanto più pronunciati quanto più è forte l'attrazione gravitazionale o elevata la velocità. Siccome le distorsioni di spazio e tempo  sono legate tra loro, si preferisce considerare le due entità come un'unica realtà chiamata spaziotempo che possiamo dunque considerare come qualcosa di "elastico". E' importante sottolineare come ad accorgersi della deformazione dello spaziotempo non è l’osservatore che si trova nei pressi di un corpo massiccio o che si muove a forte velocità, ma soltanto chi osserva dall'esterno. Se viaggiassimo su un'astronave proiettata a velocità prossima a quella della luce, percepiremmo le dimensioni nostre e della navicella così come l’avanzare dei nostri orologi come assolutamente normali, ma chi ci osservasse dall'esterno vedrebbe la navicella accorciarsi e noi che la occupiamo muoversi al rallentatore. Il discorso è analogo per la gravità. 
Per quale ragione gravità e velocità estreme hanno questo effetto? Lo spaziotempo si comporta come un telo elastico modificando la propria forma nei pressi di corpi molto massicci. Se la massa di un corpo supera una certa soglia, lo spaziotempo finisce col "chiudersi su se stesso", diventando una trappola da cui neppure la luce può fuggire una volta che ci è caduta dentro: un buco nero. Gli effetti della relatività legati alla velocità di spostamento stabiliscono inoltre una specie di limite naturale di velocità. Più acceleriamo e più l'universo "ci rema contro" rallentando sempre più il nostro ritmo interno, fino a che, raggiunta la velocità della luce, il tempo si arresta completamente. Ciò rende quella velocità la massima raggiungibile in assoluto. Avvicinandoci a tale limite assisteremmo anche ad un altro strano fenomeno: la massa della navicella aumenterebbe sino a diventare infinita in corrispondenza della velocità della luce. Anche tale circostanza suggerisce che la velocità della luce sia un limite non travalicabile. 
C'è un altro fatto rilevante riguardo la velocità della luce. Quando due paracadutisti si buttano insieme, ciascuno vede l’altro quasi fermo. Invece, per chi li sta guardando da terra, essi stanno cadendo a folle velocità. Insomma: un oggetto si muove a diverse velocità in base al punto di osservazione dal quale scelgo di guardarlo. Si tratta di un fatto ovvio, tutti ne abbiamo fatto esperienza e vale qualunque sia l’oggetto osservato. Ma non per la luce! Se, per raggiungere un raggio di luce e vederlo un po' "rallentato", provassimo a muoverci a una frazione della sua velocità, magari a bordo di una potente navicella spaziale, non otterremmo un bel niente. Come detto prima la natura “ci rema contro” compensando perfettamente la nostra velocità. In breve: più rapidamente corriamo e più intensamente gli effetti effetti relativistici (massa che cresce, tempo che rallenta, spazio che si contrae) ci fanno da zavorra. La luce si muove sempre alla stessa velocità a prescindere da quanto spedita sia la nostra andatura! Ecco perché si dice che  con la Relatività di Einstein la velocità della luce viene elevata a costante universale: perchè è la stessa per qualsiasi osservatore. Allo stesso tempo lo spazio ed il tempo sono state “declassate”, da entità assolute e immutabili a qualcosa di relativo. Dunque con la Relatività, la luce non è soltanto una semplice comparsa nell'immenso film dell'Universo, ma interpreta un ruolo unico e speciale. 
Il ruolo eccezionale riservato alla velocità della luce emerge anche in un altro contesto: dicendo che, a grandi velocità, la massa aumenta non si intende certo dire che viene creata dal nulla. Ma allora da cosa è originata? Ad essere convertita in massa è semplicemente parte dell'enorme energia spesa dalla navicella spaziale per l'accelerazione. Einstein nella sua titanica opera di riformulazione dei concetti fondamentali della fisica scopre che massa ed energia, fino ad allora considerate del tutto indipendenti, sono in realtà convertibili una nell'altra (come accade per esempio nelle esplosioni nucleari) secondo la celebre legge E=mc2. In questa formula E è l’energia, m è la massa mentre c elevato al quadrato è il fattore di conversione tra le due. Ebbene c rappresenta esattamente la velocità della luce, che diventa cosi il "ponte" che mette in comunicazione massa ed energia.