Nel 1905, in quello che si può definire con le stesse parole che lo stesso Einstein utilizzò per i Principia di Newton come il "singolo maggior contributo prodotto da un singolo individuo nella storia della fisica", Einstein introduceva un nuovo e rivoluzionario paradigma ponendo le basi della Relatività Ristretta.
ON THE ELECTRODYNAMICS OF MOVING BODIES
By A. EINSTEIN
June 30, 1905
It is known that Maxwell’s electrodynamics—as usually understood at the
present time—when applied to moving bodies, leads to asymmetries which do
not appear to be inherent in the phenomena. Take, for example, the reciprocal
electrodynamic action of a magnet and a conductor. The observable phenomenon
here depends only on the relative motion of the conductor and the
magnet, whereas the customary view draws a sharp distinction between the two
cases in which either the one or the other of these bodies is in motion. For if the
magnet is in motion and the conductor at rest, there arises in the neighbourhood
of the magnet an electric field with a certain definite energy, producing
a current at the places where parts of the conductor are situated. But if the
magnet is stationary and the conductor in motion, no electric field arises in the
neighbourhood of the magnet. In the conductor, however, we find an electromotive
force, to which in itself there is no corresponding energy, but which gives
rise—assuming equality of relative motion in the two cases discussed—to electric
currents of the same path and intensity as those produced by the electric
forces in the former case.
By A. EINSTEIN
June 30, 1905
It is known that Maxwell’s electrodynamics—as usually understood at the
present time—when applied to moving bodies, leads to asymmetries which do
not appear to be inherent in the phenomena. Take, for example, the reciprocal
electrodynamic action of a magnet and a conductor. The observable phenomenon
here depends only on the relative motion of the conductor and the
magnet, whereas the customary view draws a sharp distinction between the two
cases in which either the one or the other of these bodies is in motion. For if the
magnet is in motion and the conductor at rest, there arises in the neighbourhood
of the magnet an electric field with a certain definite energy, producing
a current at the places where parts of the conductor are situated. But if the
magnet is stationary and the conductor in motion, no electric field arises in the
neighbourhood of the magnet. In the conductor, however, we find an electromotive
force, to which in itself there is no corresponding energy, but which gives
rise—assuming equality of relative motion in the two cases discussed—to electric
currents of the same path and intensity as those produced by the electric
forces in the former case.
Einstein iniziava dalla considerazione che mentre per la meccanica classica newtoniana le trasformazioni che legano spazio e tempo tra due sistemi di riferimento inerziali, ovvero che hanno tra loro una velocità relativa costante, senza accelerazioni, erano le trasformazioni di Galileo, dove il tempo e lo spazio sono assoluti. In altri termini le leggi della meccanica newtoniana sono invarianti rispetto alle trasformazioni di Galileo, ovvero co-variano con esse, mentre questo non è il caso con le leggi dell'elettromagnetismo classico.
Einstein dimostrò che per l'elettromagnetismo le trasformazioni corrette, ovvero che rendono invarianti le equazioni di Maxwell, sono le trasformazioni di Lorentz che, a differenza di quelle di Galileo, non hanno tempo e spazio assoluti ma relativi: entrambi dipendono dal rapporto tra la velocità relativa tra i due sistemi di riferimento in rapporto a quella della luce.
Quando le trasformazioni di Lorentz vengono applicate alla meccanica newtoniana creando la meccanica relativistica, avvengono una serie di fenomeni contrari al sensocomune, il quale è basato sull'esperienza di oggetti grandi (rispetto al nucleo atomico) e lenti (rispetto alla velocità della luce) tipico della fisica classica, quali la contrazione delle lunghezze e la dilatazione dei tempi misurati tra due sistemi di riferimento che viaggino tra loro a velocità relative prossime a quella della luce.
Un tipico apparente paradosso dovuto alla relatività del tempo è il paradosso dei gemelli, un tipico esperimento concettuale o mentale (Gedankenexperiment), ovvero un esperimento che si ritiene impossibile effettuare sperimentalmente, o per la sua struttura intrinseca o per tecnologie insufficienti, ma il cui risultato, anche solo concettuale, è significativo: di due gemelli sulla terra uno parte con un'astronave e arriva a velocità prossime a quella della luce. Quando ritorna sulla terra trova che il gemello è invecchiato, o relativamente lui è ringiovanito. Questa è una conseguenza diretta della relatività ristetta ampiamente confermata sperimentalmente. Il paradosso consisterebbe che anche il gemello sull'astronave potrebbe affermare che è l'altro gemello ad essere andato via con la terra alla velocità della luce, per cui al ritorno entrambi dovrebbero essere ringiovaniti. Il paradosso è solo apparente e presuppone che la situazione dei due gemelli sia simmetrica mentre non è: solo il gemello sulla terra è sempre rimasto in un sistema inerziale, mentre quello sull'astronave in almeno due momenti, all'accelerazione e alla decelerazione, è stato in un sistema non-inerziale.
L'estensione della relatività ristretta a sistemi non-inerziali e all'ultima parte della fisica classica ancora non integrata relativisticamente, la teoria della gravità, è stata effettuata da Einstein nel 1916 come teoria della Relatività Generale, fondamentale per ogni modello cosmologico dell'Universo.
Per velocità che diventano piccole rispetto a quelle della luce le trasformazioni di Lorentz si riducono a quelle di Galileo, e la meccanica relativistica si riduce a quella newtoniana; in questo caso la teoria della relatività ristretta è da considerarsi come un'estensione della fisica classica.
Nessun commento:
Posta un commento