#AlmanaccoQuotidiano, a cura di #MarioBattacchi

 Buongiorno, oggi è il 10 aprile.

Il 10 aprile 2019 è stata pubblicata la prima, storica fotografia di un buco nero, nello specifico quella del buco nero supermassiccio nel cuore della galassia M87, sita a circa 50 milioni di anni luce dal nostro Pianeta. Ma cos'è esattamente un buco nero? E perché  averlo fotografato cambia la nostra storia?

Un buco nero è la fase terminale della “vita” di una stella di grande massa, che dopo essere collassata si trasforma in un corpo estremamente denso e compatto, una regione dello spazio-tempo caratterizzata da una fortissima attrazione gravitazionale. Essa è così intensa da non lasciar sfuggire qualsiasi tipo di radiazione elettromagnetica (ottica, raggi X, infrarossa e così via), oltre che la materia. Per questa ragione i buchi neri sono tecnicamente inosservabili dai nostri strumenti. Ciò che gli scienziati hanno immortalato è infatti il plasma incandescente che circonda il cosiddetto orizzonte degli eventi, una sorta di aura attorno al buco nero oltre la quale anche la luce non può sfuggire. Una spiegazione dettagliata del concetto di buco nero è stata data all'AGI dal professor Ciriaco Goddi dell'Università di Nijmegen e Leiden (Olanda), uno dei ricercatori dell'Event Horizon Telescope. "I buchi neri sono oggetti cosmici estremamente compressi, contenenti incredibili quantità di massa all'interno di una regione minuscola. La presenza di questi oggetti influenza il loro ambiente in modi estremi, deformando lo spazio-tempo e surriscaldando qualsiasi materiale circostante. Questi oggetti sono necessariamente circondati da materia (plasma incandescente) che viene inghiottito scomparendo nell'orizzonte degli eventi, mentre un'altra parte del materiali viene espulso a velocità relativistica (prossima cioè alla velocità della luce) in potentissimi jet di materia, dando vita alla cosiddetta emissione di sincrotrone. Se immerso in una regione luminosa, come appunto un disco di gas incandescente, ci aspettiamo che un buco nero crei una regione oscura simile a un'ombra, qualcosa di previsto dalla relatività generale di Einstein che non abbiamo mai visto prima. Questa ombra, causata dalla distorsione o curvatura gravitazionale e dalla cattura della luce dall'orizzonte degli eventi, rivela molto sulla natura di questi oggetti affascinanti”. È esattamente ciò che possiamo ammirare nel magnifico scatto ottenuto dall'ETH.

La prima vera immagine di un buco nero è un risultato storico, definito "una pietra miliare dell'astrofisica moderna, e un formidabile esempio di cooperazione globale" dal presidente dell'Istituto Nazionale di Fisica e Astronomia Nichi d'Amico. Ma perché è così importante averla ottenuta? Oltre a dimostrare ancora una volta la validità della Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, sottolinea che la nostra tecnologia è stata in grado di documentare qualcosa di invisibile, come dichiarato all'ANSA dal professor Luciano Rezzolla, direttore dell'INFN di Francoforte e membro del comitato scientifico della collaborazione Eht. “La grande novità della prima fotografia di un buco nero è che oggetti cosmici invisibili per definizione per la prima volta possono essere visti e studiati direttamente. Adesso possiamo finalmente osservarli. Si apre la prima pagina di un libro nel quale è possibile fare osservazioni sempre più accurate di questi oggetti, previsti un secolo fa da Albert Einstein”.

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Buongiorno, oggi è il 23 settembre.
Il 23 settembre 2011 viene annunciato un risultato sorprendente: i neutrini viaggiano più veloci della luce.
Si parlò di conferma ufficiale: la velocità della luce era stata superata. I neutrini, sostenevano i ricercatori, sono più veloci della luce di circa 60 nanosecondi. Il risultato era stato ottenuto dall'esperimento Cngs (Cern Neutrino to Gran Sasso), nel quale un fascio di neutrini viene lanciato dal Cern verso i Laboratori del Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). Il risultato si deve alla collaborazione internazionale Opera, che con i rivelatori che si trovano nei Laboratori del Gran Sasso ha analizzato oltre 15.000 neutrini tra quelli che, una volta prodotti dall'acceleratore del Cern Super Proton Synchrotron, percorrono i 730 chilometri che separano il Cern dal Gran Sasso. I dati dimostravano che i neutrini impiegano 2,4 millisecondi per coprire la distanza, con un anticipo di 60 miliardesimi di secondo rispetto alla velocità attesa. L'analisi dei dati, raccolti in quegli anni, dimostrava che i neutrini battono di circa 20 parti per milione i 300.000 chilometri al secondo ai quali viaggia la luce.
"Il neutrino ci sorprende ancora". "Questo risultato è una completa sorpresa", ha osservato il responsabile del rivelatore Opera, il fisico italiano Antonio Ereditato dell'università di Berna, commentando i dati che dimostrano che è stata superata la velocità della luce. "Dopo molti mesi di studi e di controlli incrociati - ha detto - non abbiamo trovato nessun effetto dovuto alla strumentazione in grado di spiegare il risultato della misura. Continueremo i nostri studi e attendiamo misure indipendenti per valutare pienamente la natura di queste osservazioni". Secondo Ereditato "il potenziale impatto sulla scienza è troppo grande per trarre conclusioni immediate o tentare interpretazioni. La mia prima reazione - ha aggiunto - è che il neutrino ci sorprende ancora una volta con i suoi misteri".
Con Ereditato lavorano circa 160 ricercatori di 30 istituzioni e 11 Paesi. "Sono molto contento e ho la fortuna di condividere questo risultato con tanti colleghi validissimi e non mi sento di dire che si tratta di un mio risultato: è un risultato del mio gruppo. E' il frutto di un lavoro complesso e gratificante". Come avete accolto i dati? "Siamo molto meno eccitati dei media. Certamente ci rendiamo conto che questa scoperta colpisce l'immaginario collettivo, ma per noi è stata una misura di precisione lungo un percorso alla fine del quale eravamo convinti di trovare un risultato negativo. Scoprire che non era così è stata una grossa sorpresa". Napoletano, 56 anni, Ereditato ha studiato a Napoli e poi ha lavorato in molti centri di ricerca all'estero. Da cinque anni dirige l'Istituto di Fisica delle particelle dell'università svizzera di Berna. E' coordinatore della collaborazione internazionale Opera, nell'ambito dell'esperimento Cngs (Cern Neutrino to Gran Sasso), nato dalla collaborazione fra il Cern di Ginevra e i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn).
La percezione, ha detto il presidente dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) Roberto Petronzio, è che "si possa cominciare a ragionare su una nuova scala e che si entri in un territorio sconosciuto della fisica, nel quale si potrebbero incontrare, per esempio nuove dimensioni o addirittura una nuova costante fondamentale dell'universo". Con la possibilità di superare la velocità della luce entrerebbe in crisi uno dei punti di riferimento della fisica contemporanea. Le costanti dell'universo hanno infatti un valore universale e indipendente, veri e propri capisaldi che modellano la visione dell'universo. "E' possibile - ha rilevato Petronzio - che i nuovi dati sulla velocità della luce possano essere la spia dell'esistenza di una nuova costante. E' stata infatti osservata una deviazione rispetto a una scala. Per esempio, la famosa particella di Dio, ossia il bosone di Higgs per il quale esiste la massa, dovrebbe essere rilevabile all'interno di una scala di energia e, se i dati raccolti dal Large Hadron Collider (Lhc) del Cern di Ginevra dovessero dimostrare che non si trovi lì si aprirebbe una nuova pagina per la fisica. "Nel caso della velocità della luce, l'anomalia osservata e presentata oggi sarebbe ancora più importante rispetto alla scoperta o meno del bosone di Higgs in quanto - ha concluso - riguarderebbe le proprietà generali dello spazio-tempo".
Meno di 6 mesi più tardi, la doccia fredda: i neutrini NON sono più veloci della luce; i risultati che mettevano in discussione la teoria della relatività erano falsati da un errore nella connessione del cavo tra un rilevatore Gps e un computer usato per calcolare il tempo in cui i neutrini venivano sparati dal Cern a Ginevra ai laboratori del Gran Sasso. La teoria della relatività di Einstein rimane in vigore, almeno fino alle prossime mirabolanti scoperte.

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Buongiorno, oggi è il 14 dicembre.
Il 14 dicembre 1900 Max Planck pubblica i suoi studi sulla teoria quantistica, dando il là a una rivoluzione scientifica che spazzò via i più normali concetti del "senso comune".
La meccanica quantistica nasce all'inizio del XX secolo grazie all'ingegno di scienziati del calibro di Planck, Schrödinger, de Broglie e Bohr: anche Einstein, che passerà alla storia piuttosto per la sua nota teoria della relatività, contribuirà in parte allo sviluppo della teoria, della quale però più tardi non riuscirà mai ad accettare le implicazioni più profonde e rivoluzionarie (in riferimento al probabilismo che contraddistingue l'intero impianto della fisica dei quanti avrà a pronunciare la famosa frase "Dio non gioca a dadi").
Tutto prende le mosse dal tentativo di risolvere un apparente paradosso della fisica dell'epoca, dovuto all'emissione di onde elettromagnetiche da parte di un corpo quale un forno. Seguendo le teorie riconosciute valide, un simile corpo avrebbe propagato durante il proprio riscaldamento onde in ogni lunghezza e frequenza possibile, la cui energia sarebbe andata aumentando proporzionalmente a quest'ultima. Facendo i conti risultava però che tale forno avrebbe pertanto emesso una quantità infinita d'energia, perché infinite sono le lunghezze d'onda che si possono generare tra le sue pareti interne ed ognuna di esse porta un contributo al totale dell'energia emessa, per quanto piccolo: la somma di un numero infinito di addendi, qualunque sia la loro dimensione numerica, porta comunque ad un risultato infinito. Questo calcolo era però in evidente contraddizione con l'osservazione e con la logica, dato che nessun forno (e nessun altro oggetto, se è per questo) emette mai una quantità infinita d'energia: l'emergere di infiniti all'interno di una teoria fisica è sempre sintomo di qualche sua lacuna.
Questa contraddizione portò Planck ad ipotizzare nel 1900 che non tutte le lunghezze d'onda siano in realtà possibili: solo alcune particolari configurazioni energetiche si verificano effettivamente, e pertanto l'energia totale emessa dal corpo è pari alla somma delle sole onde permesse. Questo costituisce un grande passo avanti, in quanto elimina l'infinito di cui parlavamo più sopra.
Secondo Planck perciò la distribuzione delle onde possibili non è continua ma discreta, ovvero esse non si dispongono senza soluzione di continuità lungo lo spettro delle energie possibili ma si posizionano solo in corrispondenza di determinati punti, corrispondenti a precise lunghezze d'onda e frequenze.
Ad integrazione di questo studio arrivò in seguito un lavoro di Einstein del 1905 sui fotoni (le particelle elettromagnetiche responsabili tra l'altro della trasmissione delle immagini dagli oggetti alla retina), il quale determinò che l'energia associata ad un flusso di tali particelle segue anch'essa schemi ben precisi, e può aumentare o diminuire solo in quantità fisse. Tali pacchetti di energia furono definiti quanti, e da questi prese il nome la teoria che a quel punto stava andando formandosi. Einstein concludeva ipotizzando che l'energia associata ai fotoni fosse direttamente proporzionale alla loro lunghezza d'onda.
A questo punto cominciava a delinearsi chiaramente un quesito: i fotoni sono particelle singolarmente individuate oppure onde? E' qui che la fisica quantistica comincia ad offrire risposte interessanti ma anche ad allontanarsi di pari passo da quello che siamo soliti indicare come "senso comune"…
Esperimenti condotti su un fascio di fotoni dimostrarono infatti che essi si comportano alternativamente come un flusso di particelle e come un onda, al punto che si riconosce ad essi questa natura duale senza che una prevalga definitivamente sull'altra. L'idea venne presto estesa anche ad altre particelle elementari, fino a quando Schrödinger non propose nel 1927 la cosiddetta funzione d'onda che prenderà poi il suo nome (anche se su questa questione lavorarono ed ottennero risultati assai significativi anche de Broglie e Born): stando a questa interpretazione, non solo ad ogni particella microscopica ma ad ogni corpo fisico è associata un'onda. Tutti i corpi, anche quelli all'apparenza più solidi, sono in realtà descrivibili anche in termini di onde!
Ma di che onde stiamo parlando esattamente? Di onde probabilistiche, indicanti ovvero la probabilità di trovare la particella in una posizione piuttosto che in un'altra. La certezza è bandita dalla meccanica quantistica, o per meglio dire noi non possiamo sperare di raggiungere alcun risultato certo a meno di non modificare radicalmente ciò che stiamo osservando. Il principio di indeterminazione di Heisenberg, risalente sempre al 1927, ci insegna infatti che più cerchiamo di conoscere la posizione di una particella, più disturberemo il suo moto e quindi meno riusciremo ad avere informazioni su di esso: viceversa, se ci limitiamo a determinare con precisione le caratteristiche del suo moto, la posizione effettiva della particella rimarrà per noi insondabile. Non siamo nella condizione di ottenere tutta l'informazione possibile sull'oggetto in questione, per quanto siano accurati i nostri tentativi: anzi, più precisamente misuriamo un parametro, più rendiamo incerta la rilevazione dell'altro. La coperta è sempre troppo corta.
A questo punto il quadro teorico generale della meccanica quantistica poté dirsi sostanzialmente completo. In meno di trent'anni non si era solo scosso l'edificio della fisica tradizionale (in virtù anche del lavoro di Einstein sulla relatività), ma si erano levati profondi interrogativi sulla natura ultima del mondo che ci circonda e sulle nostre pretese di arrivare ad una sua completa conoscenza.
La meccanica quantistica dice che le forze sono create dallo scambio di "pacchetti" discreti di energia, chiamati "quanta". Questi pacchetti (chiamati fotoni, nel caso della luce) vengono misurati in unità estremamente piccole. Il grande problema è che a volte le particelle si comportano come tali e a volte come onde. Così non sappiamo che cosa siano e non sappiamo come chiamarle; molti scienziati si riferiscono quindi alle particelle, in meccanica quantistica perlomeno, come "entità quantiche".
La teoria quantistica stabilisce che esse si comportano come particelle od onde, ma noi non siamo ancora riusciti a spiegare questo dualismo. Il fisico Erwin Schrödinger concepì un esperimento immaginario, chiamato il gatto di Schrödinger, solo per dimostrare quanto tutto questo sia stupido.
La spiegazione più comunemente accettata del problema del gatto di Schrödinger è quella avanzata nella cosiddetta interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica: che il gatto non sia né vivo né morto finché non si apre la scatola. In modo similare, un'unità quantica non è una particella né un'onda finché non compiamo un'osservazione; allora la "funzione d'onda" cade e noi otteniamo l'una o l'altra.
Peggio, il principio di indeterminazine di Heisenberg pone stretti limiti a quanto possiamo capire del mondo intorno a noi. Il principio afferma che noi possiamo conoscere la velocità o la posizione di un'entità quantica, ma non entrambe.
Un'altra predizione della meccanica quantistica è che c'è una probabilità finita che le particelle possano scavare un tunnel, o fare un balzo quantico, attraverso barriere impenetrabili. In altre parole, se mettiamo una particella in un contenitore, e se questa particella non ha abbastanza energia per uscirne, c'è ancora una probabilità misurabile che la particella sfugga veramente dal contenitore. Questo è stato provato sperimentalmente innumerevoli volte. L'effetto è chiamato "traforo quantistico"; detto più semplicemente, vuol dire che le particelle possono fare strane cose!
La fisica quantistica non sostituisce la meccanica newtoniana: la comprende. La meccanica newtoniana rimane valida entro i propri limiti, ma noi sappiamo ora che non c'è un orologio che batte, che lo si guardi o meno.
Nel 1927 Werner Heisenberg disse che una particella dà solo limitate informazioni su di sé. Si può determinare dove sia in ogni momento, ma se lo si fa non si può conoscere la sua velocità o la direzione del moto. Oppure si possono misurare velocità e direzione, ma allora non si può determinare il punto di partenza o quello di arrivo - e dunque dove essa sia. In altre parole, si può sapere solo l'una o l'altra delle cose. (Naturalmente il tutto può essere esposto più precisamente in termini matematici.) Heisenberg chiamò questo fatto principio di indeterminazione.
In termini filosofici questo era molto profondo. Si stava dicendo, in chiari termini matematici, che c'è un limite a quello che possiamo conoscere. Non possiamo sapere di più. Infatti la maggior parte del lavoro in meccanica quantistica, come risultato, è intorno alle probabilità. Così se spariamo degli elettroni attraverso una fessura ricavata da uno schermo, noi possiamo sapere esattamente quanti elettroni si spargeranno in ogni direzione particolare, ma non potremo predire accuratamente cosa farà un particolare elettrone. E questo non perché non abbiamo adeguati strumenti di misura, ma solo perché siamo vincolati ad una legge naturale.
Questo è profondamente scioccante. Il principio di indeterminazione è la parte più controversa della meccanica quantistica, tuttavia è quella che ha resistito a 70 anni di prove in laboratorio.
L'interpretazione "ortodossa" della teoria quantistica è la cosiddetta interpretazione di Copenhagen. Si tratta di una spiegazione di meccanica quantistica che si suppone sia stata avanzata la prima volta a Copenhagen (anche se probabilmente non è vero).
La spiegazione più comunemente accettata del problema del gatto di Schrödinger, l'esperimento immaginario proposto da Erwin Schrödinger per dimostrare quanto sia stupida la meccanica quantistica, è quella avanzata nella cosiddetta interpretazione di Copenhagen di meccanica quantistica. Questa dice che il gatto non è né vivo né morto finché non si apre la scatola. In modo similare l'entità quantica non è né una particella né un'onda finché non si compie un'osservazione; allora la "funzione d'onda" crolla e noi abbiamo l'una o l'altra.
Questa interpretazione sfida il senso comune, ma è la più comunemente accettata. Però c'è un'altra interpretazione, la cosiddetta interpretazione Everett, o interpretazione dei mondi multipli. Questa interpretazione, proposta da Hugh Everett III nel 1957, dice che, nel caso del gatto di Schrödinger, per esempio, quando mettiamo il gatto nella scatola l'Universo si divide in due universi: uno contenente un gatto morto, e uno che ne contiene uno vivo.
Si può vedere che questo creerebbe ben presto un numero pressoché infinito di mondi paralleli.
Sarà vero? E chi lo sa!
La meccanica quantistica sembra incompatibile con le teorie della relatività di Einstein. Infatti le due teorie sono virtualmente una l'opposto dell'altra. La relatività è alla ricerca della semplicità, della chiarezza, della bellezza. La Meccanica Quantistica dice che questo è impossibile. L'Universo è un posto disordinato.
Per dare un esempio specifico: la relatività dice che nulla può superare la velocità della luce (questo nella teoria della relatività ristretta). Mentre nella meccanica quantistica la nostra teoria dice che in qualche modo l'informazione sta circolando più velocemente della luce. Vedere in proposito il famoso paradosso di Einstein, Podolsky e Rosen, che era un esperimento destinato a provare che nulla può viaggiare più velocemente della luce. In effetti esso parve provare l'opposto: l'informazione sembra circolare più velocemente della luce, e ancora nessuno capisce il perché.
In effetti, o la meccanica quantistica, o la relatività, o entrambe, sono sbagliate. Ma non sappiamo quale. Il problema è anche che ognuna delle due sembra corretta all'interno del proprio ambito. Ed entrambe ci hanno messo in grado di fare grandi progressi nelle scienze. È chiaro che c'è qualcosa che non va, ma a tutt'oggi non abbiamo idea di cosa.
Alcuni scienziati, compreso Stephen Hawking, stanno lavorando a una scienza del tutto nuova denominata cosmologia quantistica, tentando di unire la meccanica quantistica alle nostre conoscenze attuali di cosmologia. L'idea deriva dalla possibilità di applicare al nostro Universo la meccanica quantistica: solo un Universo possibile in un numero infinito di Universi possibili.
Proprio come nella meccanica quantistica le particelle hanno funzioni d'onda, o insiemi di possibilità, così nelle teorie di Hawking noi abbiamo una funzione d'onda che descrive l'insieme di tutti gli universi possibili. Quindi il nostro punto di partenza potrebbe essere un insieme infinito di universi paralleli, di cui il nostro Universo è solo uno quando la "funzione d'onda" crolla (quando noi, o qualcosa, compie l'osservazione).
Quindi "universo" non è tutto ciò che esiste, ma è "tutto ciò che può esistere".
Alan Guth ha descritto un universo che va oltre i principi quantistici un "Universo del pranzo gratuito".
L'idea che l'Universo possa essere comparso dal nulla e abbia complessivamente energia nulla. Ciò lo renderebbe, secondo l'espressione di Alan Guth, "il supremo pranzo gratuito".
Le ipotesi di base sono che l'Universo si trovi all'interno di un buco nero. Secondo la teoria quantistica, piccole bolle di energia possono crearsi dal nulla, posto che esse esistano solo per un breve momento e poi spariscano. Meno energia è coinvolta, più a lungo esse possono esistere.
Ora, supponiamo che l'energia gravitazionale sia negativa e l'energia racchiusa nella materia sia positiva. Se l'Universo è esattamente piatto è possibile che queste due addizionate fra loro diano zero energia. Nel qual caso le regole della teoria quantistica permetterebbero all'Universo di esistere per sempre.
Così, forse, l'Universo è una piccola bolla di energia (energia totale: zero) che è comparsa dal nulla. Il supremo pranzo gratuito.
Ma allora - se l'Universo è una fluttuazione quantica, come può fluttuare se non c'è nulla in cui fluttuare? E potevano esserci regole matematiche - le regole della meccanica quantistica - prima che l'Universo esistesse? Se le regole arrivarono con l'Universo, allora non potevano esserci prima per permettere all'Universo di essere creato!
Che mal di testa Eh?

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Buongiorno, oggi è il 20 marzo.
Il 20 marzo 1916 Albert Einstein pubblica la sua teoria della relatività generale, un'estensione della relatività ristretta con cui nel 1905 aveva minato i concetti base del pensiero comune fino ad allora considerato immodificabile.
Per poter dare un’occhiata a questa teoria ed a come essa ha rivoluzionato il mondo della fisica occorre tornare un po’ indietro nel tempo e risalire fino a Newton ed al suo problema della ricerca del sistema di riferimento assoluto. Per poter descrivere qualsiasi fenomeno fisico sotto forma di legge è necessario avere un sistema di riferimento ed occorre che tale sistema di riferimento non alteri in alcun modo la nostra descrizione del fenomeno. Nella nostra vita quotidiana siamo portati spontaneamente a fare riferimenti quando facciamo delle misure, o quando diamo delle indicazioni. Per descrivere le leggi della fisica dobbiamo definire una categoria di sistemi di riferimento, detti inerziali. Nei sistemi di riferimento inerziali vale il principio di inerzia o prima legge della dinamica che afferma che se un corpo non è soggetto a forze fisiche esso rimane nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. Questa definizione del principio di inerzia è dovuta a Galileo Galilei.
Un sistema non inerziale è quindi un sistema associato ad un corpo sottoposto a forze e quindi ad una accelerazione. Trovato un sistema inerziale, se ne possono definire infiniti altri purché il moto relativo di ognuno di questi sistemi sia rettilineo uniforme.
Un esempio di situazione in cui vale il principio di inerzia è il volo delle sonde spaziali nel cosmo. Una volta che queste sonde sono sfuggite alla forza di gravità della Terra, esse continuano il loro viaggio con velocità costante, la velocità che avevano nel momento in cui non subivano più la forza di gravità. Se tutti i sistemi di riferimento inerziali hanno moti relativi, ci si chiede quale è, fra tutti questi, quello che è in quiete assoluta, cioè fermo.
Il problema di Newton consisteva nel trovare un sistema inerziale in quiete assoluta e si pensò di trovare tale sistema introducendo l’esistenza dell’etere, una sorta di quasi-vuoto, trasparente, impalpabile e legato alle stelle fisse. Tutti i sistemi inerziali hanno quindi un moto rispetto all’etere anche se tale moto è costante, cioè rettilineo uniforme.
Il bisogno della ricerca dell’etere si fa più pressante quando si ha l’unificazione delle forze elettriche e magnetiche ad opera di James Clerk Maxwell. Una carica elettrica (ad esempio un elettrone) che oscilla nello spazio genera un campo elettromagnetico che si propaga sotto forma di onda piana. Il problema sta nell’individuare il mezzo di propagazione delle onde elettromagnetiche.
Le conoscenze che si avevano alla fine del secolo scorso dei fenomeni ondulatori mostravano che era necessario averne uno: le onde sonore si propagano nell’aria, mentre l’acqua propaga le perturbazioni. Per le onde elettromagnetiche il mezzo di propagazione non poteva essere il vuoto e quindi venne riesumato l’etere.
Un esperimento, molto noto, fatto nel 1887 da Michelson e Morley, eseguito proprio per misurare la velocità della Terra nell’etere, mostra inconfutabilmente che tale velocità è nulla. Sulla base di tale esperimento Einstein ipotizza che l’etere non esista e di conseguenza non esiste un sistema di riferimento assoluto: i moti sono tutti relativi. All’epoca di Einstein già si sapeva che la luce e più precisamente la radiazione elettromagnetica, si propagava con velocità finita pari a circa 300.000 km/sec.
Già verso la fine del 1600 l’astronomo danese Roemer constata che la luce ha una velocità finita. Osservando le eclissi dei satelliti di Giove nota che c’è un ritardo tra la posizione dei satelliti e la previsione. Giustamente Roemer imputa il ritardo al fatto che la luce non si propaghi istantaneamente e dà una prima valutazione della velocità della luce: circa 220.000 km/sec. Considerando l’epoca di questa misura, è un’ottima approssimazione.
Da questi presupposti Einstein enuncia i suoi postulati di relatività:

    Le leggi della fisica hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziali;
    La luce ha una velocità finita sempre uguale in tutti i sistemi di riferimento inerziali.

Il secondo postulato quindi pone un limite invalicabile alle velocità in natura. Se in qualsiasi sistema di riferimento inerziale un segnale luminoso ha la stessa velocità, sarà impossibile superare tale limite. Supponiamo di trovarci su un’astronave in moto ad una velocità sostenuta. Se dall’astronave viene inviato un segnale luminoso nel verso di percorrenza dell’astronave, un osservatore fermo rispetto all’astronave dovrebbe vedere quel segnale muoversi ad una velocità pari alla somma della velocità della luce più quella dell’astronave. Il secondo postulato di relatività afferma che ciò non è vero: il segnale luminoso per l’osservatore fermo si muoverà sempre alla velocità della luce.
All’epoca di Einstein fare simili ipotesi era senz’altro azzardato, ma nel seguito i due postulati si sono dimostrati corretti tutte le volte che se n’è cercata la verifica. Da questi due postulati apparentemente semplici si deve edificare nuovamente tutta la fisica, migliorandone quelle parti che sono in contrasto coi postulati di relatività. Ciò significa che la fisica newtoniana ha una sua validità limitata al campo delle velocità molto basse rispetto alla velocità della luce. Il solo fatto di considerare la luce come una velocità limite della natura porta come immediata conseguenza l’eliminazione del concetto di tempo assoluto.
Nella fisica di Galileo e Newton il tempo scorre in modo assoluto in tutti i sistemi di riferimento; infatti un intervallo di tempo tra due eventi in un sistema di riferimento inerziale è lo stesso se misurato in un altro sistema in moto rispetto al primo. Nella relatività ristretta la situazione non è più la stessa. Per un osservatore che viaggia a velocità prossime a quelle della luce il tempo scorre più lentamente che per l’osservatore fermo. Per l’osservatore in moto l’intervallo di tempo è sempre lo stesso, cambia la sua misura quando si passa da un sistema all’altro.
Questo è dovuto al fatto che nella teoria della relatività la luce impiega tempo per collegare due punti dello spazio. Tale fenomeno è noto col nome di dilatazione del tempo. È chiaro però che nel momento in cui consideriamo eventi che si muovono a velocità molto basse rispetto a quella della luce vale la fisica classica così come la si impara a scuola.
Altra conseguenza della teoria della relatività ristretta è che un oggetto che si muove a velocità prossima a quella della luce appare ad un osservatore in quiete, più corto rispetto alla dimensione dell’oggetto medesimo in quiete. Quest’effetto noto come la contrazione delle lunghezze è un effetto che non può essere misurato direttamente, cioè non può essere verificato, a differenza del primo effetto relativistico, la dilatazione del tempo, che può essere quantificato sperimentalmente in vari modi. La dilatazione del tempo e la contrazione delle lunghezze sono le conseguenze più vistose della relatività ristretta.
Anche nel caso della teoria della relatività ristretta, come per tutte le teorie è sempre necessario che ci siano delle verifiche sperimentali. Dato che la contrazione delle lunghezze non può essere verificata, l’unico effetto realmente misurabile è la dilatazione del tempo. Tali misure vengono eseguite nei laboratori di fisica atomica dove studiando il tempo di vita delle particelle subatomiche, in quiete ed in moto, è possibile verificare appunto che le particelle in moto relativistico vivono più a lungo di quelle in quiete o comunque in moto newtoniano.
Unitamente a queste verifiche sulla dilatazione del tempo, quando una particella viene accelerata sempre più affinché raggiunga una velocità prossima a quella della luce, l’energia spesa per tale accelerazione si trasforma in massa, cioè aumenta la massa della particella in questione. Al limite, una particella che raggiunga la velocità della luce (e non sia un fotone, cioè un quanto di luce), dovrebbe avere una massa infinita.

La relazione che lega queste grandezze è la ben nota:

E = mc2

dove E è l’energia, m è la massa e c è la velocità della luce moltiplicata per se stessa due volte.
Molti altri esperimenti simili hanno sempre dimostrato la totale validità di questa teoria. Altro concetto di grande importanza nella relatività ristretta è lo “spaziotempo”: in relatività ristretta, dato che il tempo non è più assoluto, non è possibile slegare il concetto di spazio da quello di tempo. Il tempo diventa quindi un’altra coordinata da aggiungere alle tre spaziali che già conosciamo.
D’altronde anche noi in pratica usiamo quattro coordinate o quattro dimensioni nella vita di tutti i giorni. Quando fissiamo un appuntamento con una persona indichiamo un posto (tre coordinate per lo spazio) e l’ora (una coordinata per il tempo). La differenza sta nel fatto che in questa teoria si stabilisce un legame geometrico tra lo spazio e il tempo.
Dal concetto di tempo relativo si passa poi alla conseguenza che la simultaneità degli eventi viene a cadere quando abbiamo sistemi di riferimento in moto relativo. Due eventi si dicono simultanei quando accadono nel medesimo istante. Nella relatività ristretta, eventi che sono simultanei se misurati in un determinato sistema di riferimento inerziale senz’altro non lo saranno più se osservati da un altro sistema di riferimento inerziale in moto uniforme.
La relatività ristretta ed ancor di più la relatività generale, che è il miglioramento di questa teoria, hanno cambiato completamente il modo di porsi davanti alla natura.
Accettare che esiste una velocità limite, invalicabile, ha posto dei confini a ciò che noi possiamo fare. Ad esempio questa velocità rende di fatto impossibile i viaggi interstellari perché, pur essendo elevata la velocità della luce rimane sempre piccolissima rispetto alle distanze tra le stelle, inoltre per accelerare una astronave a velocità prossime a quella della luce occorre una quantità di energia talmente elevata da prosciugare tutte le riserve della Terra per secoli. Inoltre osservare oggetti celesti, come le galassie, che sono a distanze dell’ordine delle decine di milioni di anni luce (un anno luce è la distanza che compie la luce in un anno pari a circa 10.000 miliardi di chilometri) significa vedere tali oggetti come erano quando la luce è partita, cioè milioni di anni fa. Di fatto è come viaggiare indietro nel tempo.
Il fenomeno della dilatazione del tempo implica che un astronauta che viaggiasse alla velocità della luce per andare, ad esempio, alla stella più vicina, distante circa 4 anni luce, al suo ritorno sulla Terra, troverebbe non più la gente invecchiata di 8 anni, ma di secoli. Molto probabilmente si perderebbe il ricordo della sua partenza. Per lui sono passati fisicamente 8 anni, per chi è rimasto sulla Terra, col tempo relativisticamente dilatato, sono passati dei secoli. I concetti nuovi della relatività oltre a rivoluzionare la fisica ci costringono a confrontarci con situazioni che richiedono tempo e pazienza per essere accettate ed in seguito comprese.

#Almanaccoquotidiano, a cura di #MarioBattacchi

Buongiorno, oggi è il 21 novembre.
Il 21 novembre 1905 Albert Einstein pubblica su "Annalen der Physik" la teoria della relatività ristretta, rielaborando e perfezionando alcune sue memorie già pubblicate il 30 giugno dello stesso anno. Questa teoria, e più tardi la elaborazione della relatività generale, rivoluzionò il modo di vedere il mondo.
Già nella seconda metà dell'800 il mondo della fisica era in fermento: le leggi della fisica classica ad opera di Newton, universalmente accettate da tempo, cominciavano a scricchiolare da quando le teorie su Maxwell sulle onde elettromagnetiche, anch'esse ormai stabilmente accettate, ponevano problemi nei sistemi con moti relativi prossimi alla velocità della luce.
Il problema può essere semplificato con alcuni esempi: la fisica classica dice che un osservatore in movimento rispetto all'oggetto osservato, ne misurerà una velocità che è la somma algebrica delle due velocità: se una persona cammina ad una velocità di 2 km/h su un treno che viaggia a 100 km/h, un osservatore a terra misurerà la velocità della persona rispetto a lui di 102 km/h (fisica classica); tuttavia, se quel treno accende i fari, la velocità con cui si propaga la luce non diventa 300.000 km/s + 100 km/h orari del treno, ma resta 300.000 km/s. Questo fatto non è in alcun modo spiegabile con le leggi della fisica newtoniana, per cui fu postulata l'esistenza dell'etere, una materia impalpabile che dovrebbe permeare l'universo e "frenare" la luce e le onde elettromagnetiche nel loro propagarsi.
Einstein si sbarazza di tutto ciò ed esprime due postulati, poi verificati sperimentalmente:
1) Le leggi della fisica hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziali;
2) La luce ha una velocità finita sempre uguale in tutti i sistemi di riferimento inerziali.

Questa teoria mette tutte le cose a posto: in sostanza con le formule della relatività ristretta, i fenomeni osservati in sistemi in movimento che siano molto al di sotto della velocità della luce (la quasi totalità delle situazioni della vita di tutti i giorni) possono essere studiati con le formule della fisica classica perchè le differenze che la relatività introduce sono talmente infinitesimali che possono essere ignorate; quando invece ci si approssima alla velocità della luce, queste differenze diventano apprezzabili e vanno calcolate opportunamente.
Tra tutti gli effetti che la relatività comporta, diventano apprezzabili il concetto di dilatazione dei tempi e contrazione delle distanze: per un osservatore che viaggi a velocità prossime alla luce, il tempo trascorre più lentamente e le distanze appaiono più corte; questo fatto, che sembra paradossale, è tuttavia stato dimostrato scientificamente calcolando la vita media di alcune particelle subatomiche, dunque è una realtà comunemente accettata.
Unitamente a queste verifiche sulla dilatazione del tempo, quando una particella viene accelerata sempre più affinché raggiunga una velocità prossima a quella della luce, l’energia spesa per tale accelerazione si trasforma in massa, cioè aumenta la massa della particella in questione. Al limite, una particella che raggiunga la velocità della luce (e non sia un fotone, cioè un quanto di luce), dovrebbe avere una massa infinita.
La relazione che lega queste grandezze è la ben nota:

E = mc^2

dove E è l’energia, m è la massa e c è la velocità della luce moltiplicata per se stessa.
Molti altri esperimenti simili hanno sempre dimostrato la totale validità di questa teoria. Altro concetto di grande importanza nella relatività ristretta è lo “spaziotempo”: in relatività ristretta, dato che il tempo non è più assoluto, non è possibile slegare il concetto di spazio da quello di tempo. Il tempo diventa quindi un’altra coordinata da aggiungere alle tre spaziali che già conosciamo.
Dal concetto di tempo relativo si passa poi alla conseguenza che la simultaneità degli eventi viene a cadere quando abbiamo sistemi di riferimento in moto relativo. Due eventi si dicono simultanei quando accadono nel medesimo istante. Nella relatività ristretta, eventi che sono simultanei se misurati in un determinato sistema di riferimento inerziale senz’altro non lo saranno più se osservati da un altro sistema di riferimento inerziale in moto uniforme.
La relatività ristretta ed ancor di più la relatività generale, che è il miglioramento di questa teoria, hanno cambiato completamente il modo di porsi davanti alla natura.

Cantami, o Diva, del lapìde Alberto...

http://www.shakespeareinitaly.it

Dopo 15.000 tentativi in tre anni di salvarla, sembra che "Cernini" e "Inafinini" siano piuttosto riusciti ad infrangere la rocciosa teoria della relatività. Teoria di "Una Pietra", come abusivamente abbiamo voluto tradurre "Einstein".

Forse sulla soglia di un evento storico, vorremmo sapere cosa ne pensano i nostri amici poeti con i loro versi, che vogliano decantarci i fasti della moderna fisica, piuttosto che gareggiare con i neutrini alpino-appenninici in un  più che balenante epitaffio.

Orsù: rimateci a commento in questa pagina di come, una volta, "una pietra" dettava legge relativa fino a quando fu battuta in velocità da un Gran Sasso...

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