La Relatività Ristretta spiegata in modo semplice: perché il tempo non scorre uguale per tutti

Nel 1905, un giovane impiegato dell'ufficio brevetti di Berna (Svizzera), di nome Albert Einstein, pubblicò un articolo che avrebbe cambiato per sempre la nostra percezione della realtà. Prima di quel momento, il mondo sembrava poggiare su basi solide e immutabili, con il tempo che scorreva indistintamente uguale per tutti e dovunque, istante dopo istante, in un universo dove lo spazio era un palcoscenico fisso su cui si muovevano tutti gli oggetti. La Teoria della Relatività Ristretta (o Speciale) distrusse queste certezze, rivelando un universo molto più elastico di quanto i nostri sensi e la nostra razionalità suggeriscano.

La costante della velocità della luce: l'esperimento del treno

299.792.458 metri al secondo (circa 300.000 km/s) è una costante. La luce nel vuoto non può muoversi più velocemente, ma nemmeno più lentamente. Questo dato, provato e riprovato scientificamente, rappresenta la massima velocità raggiungibile nell'universo. E questo fatto produce delle conseguenze che si riflettono direttamente sul concetto stesso di tempo e di spazio.

Se un raggio di luce viene emesso all'interno di un treno in corsa, sia che vada nella direzione del moto del treno che in quella contraria, la sua velocità sarà la sempre la stessa, costante, quella della luce. Anche se lancio una palla nel treno, con la stessa potenza in una direzione e nell'altra, la velocità che otterrò sarà la stessa nelle due direzioni.

Ma un osservatore esterno al treno e fermo a terra che potesse assistere al mio lancio nel vagone, vedrebbe che la palla lanciata in avanti, nello stesso verso del treno treno, andrà più veloce del treno (si sommano velocità di treno e palla), mentre sarebbe più lenta del treno se lanciata indietro. Questo, però, non vale per la luce: un raggio di luce viaggerebbe sempre alla stessa velocità, quella della luce, non solo per i passeggeri ma anche per l'osservatore a terra.

L'orologio di luce e il tempo che rallenta

Questo particolare comportamento produce delle conseguenze importanti per la fisica e per il funzionamento della nostra realtà. Infatti, mettendo "un oscillatore di luce" sul treno, con un raggio di luce che, questa volta, viene sparato verticalmente tra due specchi sistemati uno di fronte all'altro, il primo sul pavimento del vagone e l'altro sul soffitto, potremmo contare quante volte il raggio "rimbalza" da uno specchio all'altro (ovviamente alla velocità della luce).

Con un piccolo ma non trascurabile particolare... la distanza percorsa dal raggio, per chi osserva da terra, sarebbe maggiore, dato che il raggio, nel suo movimento verticale tra gli specchi, percorrerebbe anche un tratto trasversale dovuto al moto del treno. Insomma, il raggio di luce, per un osservatore esterno e fermo, andrebbe in diagonale (non solo in verticale come per un passeggero), descrivendo un percorso a zig-zag verticale, nella direzione di spostamento del treno. Una diagonale è più lunga della linea verticale corrispondente, di conseguenza la luce verrà vista , da terra, percorrere una distanza maggiore. Questo significa che il raggio di luce, rispetto all'osservatore a terra, secondo il senso comune dovrebbe andare più veloce della luce. Ma la luce non raggiunge mai una velocità maggiore, resta costante.

Molti esperimenti hanno provato che questa velocità non viene mai superata. Invece accade una cosa davvero sorprendente.

I passeggeri non se ne accorgono, per loro procede tutto regolarmente, ma andando a confrontare 2 cronometri ultra-precisi, uno sul treno e l'altro a terra, risulterebbe una piccolissima differenza di tempo trascorso.

Dalla teoria alla pratica: il sistema GPS

Questo fenomeno è reale e verificato non solo sperimentalmente, ma anche "operativamente" in tutte quelle situazioni in cui siano in gioco velocità molto elevate, diventando via via più evidente proprio all'aumentare delle velocità di spostamento.

Nei sistemi di satellitari GPS, costituiti da una costellazione di satelliti che orbitano intorno alla Terra a 14000 km/h, è fondamentale tenere conto dello scorrere del tempo più lento a bordo dei satelliti rispetto alla Terra, altrimenti i software di navigazione non sarebbero più sincronizzati e sbaglierebbero le indicazioni inviate, accumulando un errore anche di 11 km al giorno.

Questo dimostra che la simultaneità nel mondo reale non esiste. Un evento che per il passeggero avviene "allo stesso istante", per chi sta fuori avviene in momenti diversi e con "uno scorrere del tempo diverso".

Verso lo Spazio-Tempo e la Relatività Generale

Ma il rallentamento del tempo da solo non basta: deve deformarsi anche lo spazio. Se potessimo osservare dall'esterno quel treno sfrecciare a velocità prossime o comunque paragonabili con quelle della luce, lo vedremmo fisicamente contratto, quindi più corto rispetto a quando è fermo in stazione, e non si tratterebbe di un'illusione ottica. Tempo che si dilata e spazio che si restringe sono due facce della stessa medaglia.

L'intuizione di Einstein avrebbe avuto conseguenze anche maggiori sulla fisica quando, negli anni successivi, egli dimostrò che tempo e spazio non sono entità separate, ma costituiscono una singola struttura quadridimensionale: lo spazio-tempo.

Ma di questa ulteriore e affascinante rivoluzione scientifica, che ha ridisegnato per sempre la nostra comprensione dell'universo del tempo e dello spazio, parleremo in modo approfondito nei prossimi articoli.