Tutti abbiamo sentito parlare almeno una volta delle famose teorie di Einstein dette della Relatività.
Si è sempre abituati a pensare, però, che queste teorie siano applicate all’intero Universo, ma su scale molto diverse rispetto a quelle in cui viviamo noi. Questa è, in realtà, una delle principali ragioni per cui queste teorie sono così difficili da comprendere: è quasi impossibile visualizzarne gli effetti nel mondo di tutti i giorni.
Seppure gli effetti siano del tutto impercettibili per i sensi umani, abbiamo però a disposizione strumenti così precisi da poter misurare le conseguenze della Relatività anche sulla Terra, come ha spiegato sulla rivista Science Chou e il suo gruppo di scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), Divisione Tempo e Frequenza.
Quando si parla di Teoria della Relatività, si intende in realtà l’insieme di due differenti teorie. La Relatività Ristretta (o Speciale) è stata pubblicata da Einstein nel 1905, e descrive il comportamento dello spazio e del tempo quando in moto rispetto al sistema in cui viene effettuata la misura.
Questo vuol dire che il tempo scorre più lentamente e lo spazio risulta più contratto quando guardiamo un oggetto che viaggia a velocità prossime a quelle della luce, rispetto a quando effettuiamo la misurazione su un sistema fermo (una descrizione della relatività ristretta di Einstein si può trovare qui). Le leggi della fisica sono ovviamente le stesse, ma i risultati sono relativi al sistema in cui si fa l’osservazione.
Una conseguenza importante di questa teoria è esemplificata dal cosidetto Paradosso dei gemelli. Immaginiamo due fratelli perfettamente identici, chiamiamoli Mario e Luigi. Luigi decide di intraprendere un viaggio interstellare con una navicella spaziale che viaggia ad una velocità prossima a quella della luce (300000 chilometri al secondo). Mario, invece, decide di rimanere sulla Terra. Prima di partire i due fratelli sincronizzano gli orologi alla perfezione.
Dopo diversi anni Luigi fa ritorno sulla Terra. Ebbene, grande è la sorpresa di Mario, vedendo che il proprio gemello avventuriero è rimasto molto più giovane. Controllando gli orologi i due gemelli scopriranno che quelli che per Mario erano molti anni, per Luigi erano soltanto una piccola frazione di essi.
Questo paradosso è spiegato dalla Relatività ristretta. Infatti la navetta spaziale, al contrario della Terra, non è un sistema inerziale, ovvero in moto unforme, ma varia la propria velocità, prima accelerando, poi frenando fino a fermarsi, e poi accelerando di nuovo per tornare sulla Terra.
Il momento in cui la navetta si ferma e inverte la propria rotta non è simultaneo per Mario e per Luigi. Questo perché Luigi cambia sistema di riferimento passando dal viaggio di andata al viaggio di ritorno. Poiché il tempo scorre diversamente in sistemi accelerati, Luigi al ritorno sarà più giovane.
La teoria della Relatività Generale estende questo concetto sostenendo che non è solo l’accelerazione a influenzare il tempo, ma anche la gravità. Infatti la gravità ha in un certo senso lo stesso effetto dell’accelerazione inerziale. Pensate per esempio di essere chiusi in un ascensore. Quando l’ascensore accelera verso l’alto voi subirete una spinta che vi schiaccia verso il pavimento.
Non vi è nessun modo, in quel momento, per sapere se è l’ascensore che sta accelerando o se è stata inserita una massa sotto l’ascensore che esercita attrazione gravitazionale. Questo vuol dire che quando si è soggetti ad un’intensa attrazione gravitazionale il tempo scorre più lentamente.
L’effetto della gravità sullo scorrere del tempo è già stato dimostrato in diversi modi, e forse uno dei più interessanti è osservarne le conseguenze sui sistemi di posizionamento satellitare (GPS). Poiché i satelliti sono sospesi in alto nell’atmosfera subiscono un’attrazione gravitazionale inferiore e il loro orologio di bordo scorre leggermente più veloce rispetto agli orologi presenti sulla superficie terrestre (guadagna circa 38 nanosecondi al giorno).
La scoperta di Chou e colleghi è che questo effetto non è misurabile solamente spostandosi fuori dall’atmosfera terrestre, ma basta salire qualche gradino. Sono infatti riusciti a misurare la differenza nello scorrere di due orologi atomici posti a soli 33 centimetri di distanza verticale tra loro.
Non affrettatevi tutti a correre nelle pianure olandesi qui con me, perché la differenza è soltando di 90 miliardesimi di secondo lungo una vita di 79 anni… Il maggior risultato di questo esperimento è osservare l’estrema precisione di misura dei nuovi orologi atomici, che basano il proprio principio di misura sulla frequenza di oscillazione tra diversi livelli energetici degli elettroni presenti attorno a un atomo.
