Principio di relatività
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Un Principio di relatività è un criterio di verifica di una qualsiasi teoria fisica, in quanto stabilisce che essa non sia valida se per situazioni simili non prevede le stesse leggi. Vari principi di questo genere sono stati applicati con successo in ogni scienza, sia implicitamente (come nella meccanica newtoniana) sia esplicitamente (come nella relatività speciale e generale di Einstein).
Occorre precisare però che il principio di relatività si differenzia dalla teoria della relatività, in quanto questa si basa sul principio di relatività, che è un assioma della fisica. La differenza concettuale è sottile, ma non le implicazioni: se si trovasse un sistema di riferimento privilegiato, che invalidi il principio di relatività, andrebbe in frantumi il corpus di teorie fisiche che vi si basano, non solo la relatività speciale o generale, ma anche la fisica quantistica. Tuttavia, alcune versioni della teoria delle stringhe possono ammettere un sistema di riferimento privilegiato, ma solo in una dimensione diversa dalle 4 dello spaziotempo.
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[modifica] Semplici principi di relatività
Alcuni principi di relatività sono onnipresenti in molte discipline; i più importanti stabiliscono che ogni legge naturale sia immutabile nel tempo e sia indipendente dalla persona che la misura. Questi principi sono stati inglobati nella stessa ricerca scientifica, della quale costituiscono un importante fondamento.
Nella fisica teorica, per esempio, un importante teorema chiamato "Teorema di Noether" stabilisce che:
- "le leggi che governano le forze sono le stesse in ogni tempo."
Esso è equivalente al principio della conservazione dell'energia; un altro principio molto importante afferma che:
- "le leggi che governano le forze sono le stesse in ogni luogo."
Ciò è equivalente alla legge della conservazione della quantità di moto. In tali contesti, i principi di relatività non sono semplici indicazioni sulla formulazione di leggi fisiche, ma sono al contrario efficaci descrizioni delle simmetrie della Natura.
[modifica] Il principio speciale di relatività
Il "Principio speciale di relatività" stabilisce che:
- le leggi fisiche sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
Ciò obbliga una qualsiasi legge fisica a non variare se applicata ad un corpo in moto a velocità costante o a un corpo fermo; un' importante conseguenza è che un osservatore appartenente ad un sistema di riferimento inerziale non può associare una velocità assoluta o una direzione assoluta al proprio moto nello spazio, ma può solo considerare velocità e direzione relative ad altri corpi.
Tutto ciò non vale per i sistemi non-inerziali, dal momento che questi ultimi non sembrano, almeno per l'esperienza quotidiana, prevedere le stessi leggi fisiche (basti pensare alle forze apparenti percepite se si subisce un'accelerazione o una decelerazione).
Questo principio viene utilizzato nella meccanica newtoniana e nella relatività speciale.
[modifica] La meccanica newtoniana
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Per approfondire, vedi la voce Relatività galileiana. |
Il principio speciale di relatività fu formulato esplicitamente per la prima volta da Galileo Galilei nel 1639 nella sua opera "Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo".
L' elaborazione della meccanica newtoniana contribuì poi all'integrazione del principio con ulteriori concetti fisici (tra i quali molto importanti risultano quelli di spazio e tempo assoluti). Se formulato in questo contesto, il principio speciale di relatività stabilisce che:
- "le leggi fisiche sono invarianti rispetto alle trasformazioni di Galileo."
[modifica] La relatività speciale
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Per approfondire, vedi la voce Relatività speciale. |
Verso la fine del diciannovesimo secolo, Joseph Larmor e Hendrik Lorentz scoprirono che le equazioni di Maxwell (alla base dell' elettromagnetismo) erano invarianti per le trasformazioni di Lorentz, mentre non lo erano per quelle di Galileo. Ciò portò notevole sconcerto nella fisica, dal momento che una teoria che non rispetta le trasformazioni galileiane vìola anche la nozione di tempo e spazio assoluti (vedi paragrafo precedente). Molti fisici, compresi Larmor e Lorentz, sostituirono al principio speciale di relatività il concetto di etere, ovvero un sistema di riferimento immobile che permetteva la propagazione delle onde elettromagnetiche.
Nel 1905, però, Albert Einstein, nel suo famoso articolo "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento", prese il principio speciale di relatività come assioma della fisica, scartando le nozioni di etere e spazio-tempo assoluti; sostituì alle trasformazioni di Galileo quelle di Lorentz, e stabilì infine come la velocità della luce nel vuoto debba essere la stessa per qualsiasi osservatore, indipendentemente dal suo moto rispetto alla sorgente di luce (questo già era previsto nelle equazioni di Maxwell, che prevedevano l'invarianza della velocità della luce nel vuoto). Questa teoria della relatività speciale si basa dunque su alcuni semplici princìpi, come l' invarianza delle leggi fisiche in un sistema di riferimento inerziale (vedi anche la voce "Covarianza di Lorentz").
[modifica] Il principio generale di relatività
Il "Principio generale di relatività" stabilisce che:
- le leggi fisiche sono lo stesse per tutti i sistemi di riferimento.
Solitamente, nel caso di sistemi di riferimento non-inerziali, si effettua dapprima una trasformazione di coordinate, portandosi in un sistema di riferimento inerziale; si svolgono poi i calcoli necessari e si ritorna infine, con un' altra trasformazione di coordinate, al sistema di partenza. In molte situazioni, possono essere utilizzate le stessi leggi fisiche dei sistemi inerziali se si considerano però alcune forze apparenti: un esempio è quello di un sistema di riferimento che si muove di moto circolare uniforme, che può essere considerato un sistema inerziale se si considerano la forza centrifuga e quella di Coriolis (entrambe apparenti).
Questi problemi non sono sempre banali: per esempio, la relatività speciale predice che un osservatore in un sistema di riferimento inerziale non può osservare corpi che si muovono a velocità superiori a quella della luce; tuttavia, nel sistema non-inerziale della Terra, in qualunque punto della sua superficie si possono vedere le stelle muoversi nel cielo; dal momento che esse sono lontane molti anni luce, ciò significa che guardando le stelle muoversi si guardano oggetti che sembrano spostarsi a velocità maggiore di quella della luce (sempre dal punto di vista del sistema Terra).
Dal momento che i sistemi di riferimento non-inerziali non obbediscono al principio speciale di relatività, questa situazione non può essere definita come un "assurdo", benché abbia dato un forte impulso alla ricerca di leggi fisiche che potessero valere per tutti i sistemi di riferimento.
[modifica] La relatività generale
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Per approfondire, vedi la voce Relatività generale. |
La relatività generale, sviluppata da Einstein negli anni tra il 1905 e il 1907, prevede che la covarianza di Lorentz globale presente nella teoria della relatività speciale divenga una covarianza di Lorentz locale in presenza di concentrazioni di materia; quest' ultima infatti "curva" lo spaziotempo e questa curvatura influenza le traiettorie dei corpi in movimento e dei raggi luminosi. La relatività generale sfrutta la geometria differenziale e i tensori per descrivere la gravità come effetto della geometria dello spaziotempo. Einstein basò inoltre questa teoria sul principio generale di relatività (da cui l'aggettivo "generale" ad essa attribuito).
[modifica] Voci correlate
[modifica] Collegamenti esterni
- (EN) Living Reviews in Relativity — Una rivista fisica online che si occupa di ogni area delle ricerche sulla relatività.
- (EN) Reflections on Relativity — Un corso completo online sulla Relatività.
- (EN) Relativity explained in words of four letters or less
- (EN) Briefing on Einstein's Theory of Relativity
- (EN) On the Electrodynamics of Moving Bodies
- (EN) Special Relativity Simulator
- (EN) A Relativity Tutorial at Caltech — Introduzione ai concetti della Relatività Speciale e Generale.
- (EN) Relativity Gravity and Cosmology
- (EN) Relativity in film clips and animations
