Per 100 anni, la teoria della relatività generale di Albert Einstein è sopravvissuta praticamente a tutti i test che i fisici hanno affrontato. Annunciate nel novembre del 1915, le famose equazioni sul campo dello scienziato si espansero sulle leggi di vecchia data di Isaac Newton reinventando la gravità come una deformazione nel tessuto dello spazio e del tempo, piuttosto che una semplice forza tra gli oggetti.
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I risultati dell'utilizzo di equazioni di relatività generale sembrano in realtà simili a quelli ottenuti usando la matematica di Newton, purché le masse coinvolte non siano troppo grandi e le velocità siano relativamente piccole rispetto alla velocità della luce. Ma il concetto fu una rivoluzione per la fisica.
Lo spazio-tempo deformato significa che la luce stessa è influenzata dalla gravità molto più fortemente di quanto previsto da Newton. Significa anche che i pianeti si muovono attorno alle loro orbite in modo leggermente alterato ma molto significativo, e prevede l'esistenza di oggetti esotici come mostri buchi neri e wormhole.
La relatività generale non è perfetta: le regole della gravità di Einstein sembrano infrangersi quando le applichi alle regole della meccanica quantistica, che regnano su scale subatomiche. Ciò lascia molte lacune allettanti nella nostra comprensione dell'universo. Ancora oggi, gli scienziati stanno spingendo i limiti per vedere fino a che punto la relatività può portarci. Nel frattempo, ecco alcuni dei modi in cui vediamo costantemente la relatività in azione:
Orbita di mercurio
Il veicolo spaziale MESSENGER, il primo a orbitare attorno a Mercurio, catturò questa visione a falsi colori del minuscolo pianeta per mostrare differenze chimiche, mineralogiche e fisiche sulla sua superficie. (NASA / JHUAPL / Carnegie Institution) Nel diciannovesimo secolo, l'astronomo Urbain LeVerrier notò un problema con l'orbita di Mercurio. Le orbite planetarie non sono circolari, sono ellissi, il che significa che i pianeti possono essere più vicini o più lontani dal sole e l'uno dall'altro mentre si muovono attraverso il sistema solare. Mentre i pianeti si scontrano, i loro punti di approccio più vicino si muovono in modo prevedibile, un processo chiamato precessione.
Ma anche dopo aver tenuto conto degli effetti di tutti gli altri pianeti, Mercurio sembrava aver prosciugato un po 'più di quanto avrebbe dovuto ogni secolo. Inizialmente gli astronomi pensavano che un altro pianeta invisibile, soprannominato Vulcano, dovesse trovarsi nell'orbita di Mercurio, aggiungendo la sua forza gravitazionale al mix.
Ma Einstein usò le equazioni della relatività generale per mostrare che non era necessario alcun pianeta misterioso. Il mercurio, essendo il più vicino al sole, è semplicemente più influenzato dal modo in cui la nostra stella massiccia curva il tessuto dello spazio-tempo, qualcosa di cui la fisica newtoniana non ha tenuto conto.
Luce flettente
Un'immagine dell'eclissi solare vista il 29 maggio 1919. ("Una determinazione della deflessione della luce da parte del campo gravitazionale del sole, da Osservazioni fatte durante l'eclissi totale del 29 maggio 1919" Transazioni filosofiche della Royal Society di Londra, Serie A) Secondo la relatività generale, la luce che si muove attraverso lo spazio-tempo del tessuto dovrebbe seguire le curve di quel tessuto. Ciò significa che la luce che si muove attorno a oggetti enormi dovrebbe piegarsi attorno a loro. Quando Einstein pubblicò i suoi articoli sulla relatività generale, non era chiaro come osservare questa distorsione, poiché l'effetto previsto è piccolo.
L'astronomo britannico Arthur Eddington ha avuto un'idea: guardare le stelle vicino al bordo del sole durante un'eclissi solare. Con il bagliore del sole bloccato dalla luna, gli astronomi potevano vedere se l'apparente posizione di una stella fosse cambiata mentre la gravità del sole massiccio piegava la sua luce. Gli scienziati hanno fatto osservazioni da due località: una nel Brasile orientale e una in Africa.
Abbastanza sicuro, la squadra di Eddington vide lo sfollamento durante un'eclissi del 1919, e i titoli dei giornali trombarono al mondo che Einstein aveva ragione. Negli ultimi anni, nuovi esami dei dati hanno dimostrato che per gli standard moderni l'esperimento era difettoso: c'erano problemi con le lastre fotografiche e la precisione disponibile nel 1919 non era in realtà abbastanza buona da mostrare la giusta quantità di flessione nelle misurazioni dal Brasile. Ma esperimenti successivi hanno dimostrato che l'effetto esiste e, data l'assenza di attrezzature moderne, il lavoro è stato abbastanza solido.
Oggi gli astronomi che usano potenti telescopi possono vedere la luce proveniente da galassie distanti essere piegata e ingrandita da altre galassie, un effetto ora chiamato lente gravitazionale. Questo stesso strumento è attualmente utilizzato per stimare le masse di galassie, per cercare la materia oscura e persino per cercare pianeti in orbita attorno ad altre stelle.
Buchi neri
Il telescopio spaziale Chandra della NASA ha visto il buco nero al centro della nostra galassia, chiamato Sagittario A *, a gennaio ha emesso un lampo di raggi X estremamente luminoso. (NASA / CXC / Amherst College / D.Haggard et al) Forse la previsione più spettacolare della relatività generale è l'esistenza di buchi neri, oggetti così massicci che nemmeno la luce potrebbe sfuggire alla loro attrazione gravitazionale. L'idea, tuttavia, non era nuova. Nel 1784, uno scienziato inglese di nome John Mitchell lo presentò alle riunioni della Royal Society e nel 1799 Pierre-Simon LaPlace, un matematico francese, arrivò allo stesso concetto e scrisse una prova matematica più rigorosa. Anche così, nessuno aveva osservato nulla di simile a un buco nero. Inoltre, gli esperimenti del 1799 e successivi sembravano mostrare che la luce doveva essere un'onda piuttosto che una particella, quindi non sarebbe influenzata dalla gravità allo stesso modo, se non del tutto.
Inserisci Einstein. Se la gravità è effettivamente dovuta a una curvatura dello spazio-tempo, allora potrebbe influenzare la luce. Nel 1916 Karl Schwarzschild usò le equazioni di Einstein per dimostrare che non solo potevano esistere buchi neri, ma che l'oggetto risultante era quasi uguale a quello di LaPlace. Schwarzschild ha anche introdotto il concetto di un orizzonte degli eventi, una superficie dalla quale nessun oggetto materiale potrebbe sfuggire.
Sebbene la matematica di Schwarzschild fosse solida, gli astronomi impiegarono decenni per osservare qualsiasi candidato: Cygnus X-1, una forte fonte di raggi X, divenne il primo oggetto ampiamente accettato come un buco nero negli anni '70. Ora gli astronomi pensano che ogni galassia abbia un buco nero nel suo nucleo, persino il nostro. Gli astronomi hanno accuratamente tracciato le orbite delle stelle attorno a un'altra fonte di raggi X al centro della Via Lattea, il Sagittario A *, e hanno scoperto che il sistema si comporta come un buco nero estremamente massiccio.
"Per sistemi come Cygnus X-1 o Sagittarius A *, possiamo misurare la massa e il raggio dell'oggetto compatto, e semplicemente non possiamo capire nessun altro oggetto astrofisico che avrebbe le stesse proprietà osservative", afferma Paul M Sutter, astrofisico e studioso in visita alla Ohio State University.
Shooting the Moon
Parte di un esperimento di raggio laser lunare lasciato sulla luna da Apollo 15. (NASA) Elaborando la sua teoria della relatività generale, Einstein si rese conto che gli effetti della gravità e gli effetti dell'accelerazione sono entrambi causati dalla curvatura dello spazio-tempo e che la forza gravitazionale sperimentata da qualcuno che si trovava su un oggetto massiccio sarebbe simile all'effetto sperimentato da qualcuno che accelera, diciamo, cavalcando un razzo.
Ciò significa che le leggi della fisica misurate in laboratorio avranno sempre lo stesso aspetto, indipendentemente dalla velocità con cui il laboratorio si sta muovendo o da dove si trova nello spazio-tempo. Inoltre, se metti un oggetto in un campo gravitazionale, il suo movimento dipenderà solo dalla sua posizione iniziale e dalla sua velocità. Questa seconda affermazione è importante, perché implica che il tiro della gravità del sole sulla Terra e sulla luna dovrebbe essere molto stabile, altrimenti chissà quali problemi potrebbero derivare se il nostro pianeta e la luna "cadano" verso il sole a velocità diverse.
Negli anni '60, le missioni Apollo e le sonde lunari sovietiche installarono riflettori sulla luna e gli scienziati sulla Terra hanno sparato loro raggi laser per eseguire una serie di esperimenti scientifici, tra cui la misurazione della distanza tra Terra e luna e i loro relativi movimenti intorno al sole. Una delle lezioni di questa ricerca lunare della distanza fu che la Terra e la luna stavano davvero cadendo verso il sole allo stesso ritmo, proprio come prevede la relatività generale.
Trascinamento dello spazio
Un disegno composito del satellite Gravity Probe B. (Katherine Stephenson, Stanford University e Lockheed Martin Corporation) Nella maggior parte delle descrizioni della relatività generale, la gente immagina la Terra come una palla da bowling sospesa su un pezzo di tessuto, noto anche come spazio-tempo. La palla provoca la deformazione del tessuto in depressione. Ma poiché la Terra ruota, la relatività generale dice che la depressione dovrebbe torcersi e deformarsi mentre la palla gira.
Un veicolo spaziale chiamato Gravity Probe B, lanciato nel 2004, ha trascorso un anno a misurare la curvatura dello spazio-tempo attorno alla Terra. Ha trovato alcune prove del trascinamento di fotogrammi o della Terra che trascina con sé il tessuto cosmico mentre ruota, contribuendo a convalidare l'immagine della gravità di Einstein.
Increspature spazio-temporali
Due enormi pulsar che ruotano l'una attorno all'altra creerebbero abbastanza disturbo nel tessuto dello spazio-tempo per generare onde gravitazionali che dovremmo essere in grado di rilevare sulla Terra. (NASA) Un'altra conseguenza degli oggetti che si muovono attraverso lo spazio-tempo è che a volte creano increspature e onde nel tessuto, simile alla scia di una nave. Queste onde gravitazionali si estenderebbero nello spazio-tempo in modi teoricamente osservabili. Ad esempio, alcuni esperimenti fanno brillare un raggio laser tra due serie di specchi e il tempo che impiega il raggio a rimbalzare tra di loro. Se un'ondulazione spazio-temporale attraversa la Terra, tali rivelatori dovrebbero vedere un leggero allungamento e contrazione del raggio, che si presenterebbe come un modello di interferenza.
Finora, le onde gravitazionali sono una delle ultime grandi previsioni della relatività generale che devono ancora essere viste, anche se ci sono voci di un rilevamento in una struttura negli Stati Uniti. Ma ci sono prove indirette. Le pulsar sono stelle morte che racchiudono molte volte la massa del sole in uno spazio delle dimensioni di Manhattan. Le osservazioni di due pulsar in orbita l'una attorno all'altra forniscono alcuni indizi che le onde gravitazionali sono reali.
"È stato osservato che il periodo orbitale della prima pulsar binaria si deteriora nel tempo di circa 0, 0001 secondi all'anno", afferma il fisico Alan Kostelecky dell'Università dell'Indiana. "Il tasso di decadimento corrisponde alla perdita di energia dovuta alla radiazione gravitazionale prevista dalla relatività generale."
GPS
Il rendering di un artista mostra un satellite GPS-IIRM in orbita. (Comitato esecutivo nazionale degli Stati Uniti per il posizionamento spaziale, la navigazione e i tempi) I sistemi di posizionamento globale non sono esattamente un test di relatività, ma ne fanno assolutamente affidamento. Il GPS utilizza una rete di satelliti in orbita che inviano segnali ai telefoni e alle auto a noleggio in tutto il pianeta. Per ottenere una posizione, quei satelliti devono sapere dove e quando sono, quindi mantengono le misurazioni del tempo con una precisione di miliardesimi di secondo.
Ma i satelliti stanno volando a 12.550 miglia sopra le nostre teste, dove sentono meno l'attrazione gravitazionale del pianeta rispetto alle persone a terra. Basato sulla teoria della relatività speciale di Einstein, secondo la quale il tempo passa in modo diverso per gli osservatori che si muovono a velocità diverse, gli orologi satellitari scorrono un po 'più lentamente dell'orologio di un viaggiatore diretto a terra.
Tuttavia, la relatività generale aiuta ad annullare questo effetto, perché la gravità vicino alla superficie terrestre rallenta i battiti di un orologio rispetto al satellite che accelera in alto. In assenza di questa combinazione relativistica, gli orologi GPS sarebbero disattivati di circa 38 microsecondi al giorno. Potrebbe sembrare un piccolo errore, ma il GPS richiede una precisione così elevata che la discrepanza renderebbe la tua posizione mappata notevolmente errata nel giro di poche ore.
