1905 LA TEORIA DELLA RELATIVIT RISTRETTA PROGETTO INTERDISCIPLINARE

1905 LA TEORIA DELLA RELATIVITÁ RISTRETTA PROGETTO INTERDISCIPLINARE “STRALCI DI LUGO: leggo la mia città con gli occhi della scuola” Classi III

Quali erano le teorie ritenute valide fino al 1905 … Prima di Einstein per spiegare l’universo si usavano le leggi scritte da Isaac Newton nel’ 600. Secondo Newton, lo spazio e il tempo sono gli stessi per tutti gli osservatori indipendentemente dal loro stato di moto. Lo spazio è il contenitore di tutta la materia del cosmo e il tempo scorre allo stesso modo per tutti. La gravità è una “magica” forza a distanza grazie alla quale i pianeti girano intorno al Sole e le mele mature cadono per terra.

EINSTEIN NON CI STA! L’ala di un aeroplano ci appare ferma da dentro l’aereo, ma in realtà si muove rispetto al terreno a una velocità che può superare i 900 chilometri all’ora. “Lo spazio e il tempo non sono assoluti, ma sono RELATIVI rispetto ad un osservatore. ”

I PRINCIPI FONDAMENTALI 1. Le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento “inerziali”, cioè in movimento rettilineo uniforme (senza accelerazioni) gli uni rispetto agli altri. 2. La velocità della luce nel vuoto è una costante assoluta. c ≈ 300 000 km/s. nel 1887, i fisici Albert Michelson e Edward Morley misurarono la velocità della luce in varie direzioni con il loro interferometro. I due osservatori vedono la luce arrivare alla stessa velocità, indipendentemente dalla velocità dell’osservatore stesso o della sorgente di luce. Una torcia accesa su un treno emette luce la cui velocità appare la stessa sia a un osservatore sul treno, sia a un osservatore in terra.

PRIMA CONSEGUENZA DILATAZIONE DEI TEMPI Il tempo dipende dallo stato di moto dell’osservatore, per un osservatore in moto il tempo scorre più lentamente che per uno in quiete. E DI CONSEGUENZA … CONTRAZIONE DELLE LUNGHEZZE Per un osservatore in moto lo spazio si contrae nella direzione del movimento. Questi effetti sono tanto più marcati quanto più v è prossima a c: sono quindi trascurabili nell’esperienza quotidiana.

IL PARADOSSO DEI GEMELLI Un esperimento mentale (concetto introdotto da Einstein) è un esperimento che non si intende realizzare nella pratica, ma viene solo immaginato: i suoi risultati non vengono, quindi, misurati sulla base di un esperimento fisico in laboratorio, ma calcolati teoricamente applicando le leggi della fisica. Un'astronave parte dalla Terra nell'anno 3000 e mantenendo una velocità costante v raggiunge la stella Wolf 359, distante 8 anni luce dal nostro pianeta. Appena arrivata, inverte la rotta e ritorna sulla Terra, sempre a velocità v. Di una coppia di fratelli gemelli, uno sale sull'astronave e l'altro rimane a Terra. Assumendo che il viaggio interstellare possa essere compiuto a velocità prossime a quelle della luce, la teoria prevede che, al ritorno sulla terra, il gemello "viaggiatore" sia invecchiato molto meno di quello “terrestre”.

IL PARADOSSO DEI GEMELLI Va specificato che, sebbene contrario al senso comune, non vi è nulla di paradossale nel fatto che il tempo scorra in modo diverso per i due gemelli. Questa è proprio una delle previsioni fondamentali della relatività: non esiste un tempo assoluto, ma lo scorrere del tempo dipende dal sistema di riferimento in cui lo si misura. E non si tratta solo di una previsione teorica: quasi quotidianamente gli scienziati verificano che i tempi di decadimento delle particelle subatomiche, misurati in laboratorio, diminuiscono quando le particelle viaggiano nel laboratorio a velocità prossime a quelle della luce.

IL PARADOSSO DEI GEMELLI Si chiamano Scott e Mark Kelly, sono americani e fanno entrambi lo stesso mestiere: l’astronauta. Caratteristica principale: sono gemelli, come tanti altri. La Nasa ha finalmente a disposizione quello che le era sempre mancato per dimostrare la teoria della relatività di Einstein: due astronauti fratelli gemelli. Nel marzo del 2015 uno dei due, Scott Kelly, ha raggiunto il cosmonauta russo Mikhail Kornienko per una missione nella Stazione spaziale della durata di un anno. Mentre Scott viaggerà in orbita per 365 giorni alla velocità di 27 mila chilometri orari, suo fratello Mark resterà sulla Terra. Alla fine della missione i gemelli si riuniranno, e la Nasa dovrà in sostanza accertare se sono ancora identici.

SECONDA CONSEGUENZA UN OGGETTO IN MOVIMENTO HA UNA MASSA MAGGIORE DI QUANDO È IN QUIETE. LA MASSA SI TRASFORMA IN ENERGIA. La velocità non può aumentare all’infinito e quindi va ad aumentare l’energia della massa. Una pallottola sparata contro un muro a velocità prossima a quella della luce può avere la stessa forza d’urto di una palla di cannone. Questo principio l’osservano regolarmente i fisici negli acceleratori di particelle come quelli del CERN di Ginevra. In base allo stesso principio, in alcune circostanze può avvenire la trasformazione di massa in energia, rendendo possibile la realizzazione di bombe e centrali nucleari.

LA “FAMOSISSIMA” FORMULA VELOCITÁ ENERGIA E=mc² DELLA LUCE MASSA Fino al 1905 tutti pensavano che la massa e l'energia fossero due realtà fisiche molto diverse e senza punti di contatto. Ma Einstein comprese che queste due realtà fisiche sono in verità strettamente legate da un valore numerico molto preciso: il quadrato della velocità della luce nel vuoto (c²). TRADUZIONE: “Dalla teoria generale della relatività si ricava che massa ed energia sono entrambe differenti manifestazioni della stessa cosa – un concetto non di immediata comprensione per l’uomo della strada. Inoltre, l’equazione E uguale a m moltiplicato per c elevata al quadrato, che significa che l’energia è uguale alla massa moltiplicata per il quadrato della velocità della luce, mostra che piccolissime quantità di massa possono essere trasformate in una immensa quantità di energia e viceversa. La massa e l’energia sono infatti equivalenti, secondo la formula appena citata. Questo è stato dimostrato da Cockroft e Walton nel 1932 in un esperimento”.

UN’APPLICAZIONE DELLA FORMULA La fissione nucleare consiste nella rottura del nucleo di un elemento pesante (esempio uranio o plutonio) in due nuclei di elementi più leggeri. Come funziona la fissione? Un neutrone colpisce un nucleo di un atomo, quest'ultimo si spezza in due frammenti lasciando liberi nello spazio circostante circa 2 -3 neutroni che a loro volta colpiscono altri atomi determinando la "reazione a catena" se gli altri atomi nelle vicinanze sono posti in quantità sufficiente.

UN’APPLICAZIONE DELLA FORMULA I prodotti finali di una fissione nucleare possiedono una massa totale leggermente inferiore a quella del nucleo di partenza; questa differenza di massa è la causa dell'energia prodotta nella reazione perché la massa "persa" si trasforma in energia, secondo l'equazione di Einstein. energia liberata dalla fissione c = velocità massa “persa” della luce nella fissione

UN’APPLICAZIONE DELLA FORMULA 6 agosto 1945 Little Boy provocò circa 60. 175 morti saliti a 100. 000 negli anni seguenti a causa delle radiazioni. Nel 2002 i colpiti dalle radiazioni erano 285. 000. 9 agosto 1945 Circa 30. 000 persone perirono all'istante per l'esplosione nucleare di Fat Man. Molte migliaia di persone, inoltre, morirono in seguito per le radiazioni. La fissione è la reazione nucleare usata solitamente nei reattori nucleari e nelle bombe atomiche, quali gli ordigni all’uranio (come quello che colpì Hiroshima) o al plutonio (come quello che colpì Nagasaki). Tutte le bombe a fissione nucleare vengono militarmente etichettate come Bombe A.