Relatività ristretta

I problemi della relatività classica

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Considera le seguenti grandezze fisiche.
Clicca solo su quelle che consideri invarianti (secondo la relatività di Galileo) se misurate in sistemi di riferimento inerziali diversi.

velocità
tempo
spazio percorso
accelerazione
massa
forza
energia
lunghezza di un oggetto

Nella relatività galileiana, le grandezze che dipendono dal sistema di riferimento, cioè hanno valori diversi se misurate in riferimenti in moto uniforme l'uno rispetto all'altro sono la velocità e di conseguenza lo spazio percorso e l'energia cinetica che dipendono alla velocità. L'invarianza di forza, massa ed accelerazione porta alla conclusione che le leggi della meccanica siano le stesse in ogni riferimento inerziale. Ai tempi di Galileo, l'invarianza del tempo sembrava così ovvia da non essere nemmeno presa in considerazione.

Il 1905 è l'anno di pubblicazione della Teoria della relatività speciale di Albert Einstein. La relatività speciale (o ristretta) si occupa solo dei sistemi di riferimento inerziali, mente la relatività generale tratta tutti i sistemi di riferimento. Ricordiamo che un sistema di riferimento inerziale è uno in cui valgono le leggi della dinamica (e in particolare il principio di inerzia: se un corpo è immobile o in moto rettilineo uniforme, su di esso agisce una forza risultante nulla). Una volta scelto un sistema inerziale, ogni altro riferimento in moto uniforme rispetto ad esso è inerziale.

Alla fine dell'Ottocento, la fisica sembrava ormai un capitolo chiuso. Da una parte la meccanica di Newton era sintetizzata in tre leggi fondamentali, dall'altra l'elettromagnetismo poggiava le sue basi sulle quattro equazioni di Maxwell. I fenomeni termici facevano parte, con la termodinamica, del campo della meccanica e quelli luminosi del campo dell'elettromagnetismo. Le forze fondamentali della natura erano di due tipi: forze gravitazionali e forze elettromagnetiche.

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Qualche fenomeno però non rientrava nello schema generale ed inoltre il grande edificio della fisica classica presentava qualche contraddizione: uno dei problemi più importanti era quello della propagazione della luce.

La velocità di propagazione delle onde meccaniche è sempre riferita ad un mezzo di propagazione e Maxwell pensava che le onde elettromagnetiche avessero una velocità c rispetto all'etere. L'etere avrebbe dovuto essere il mezzo che permetteva la propagazione di onde elettromagnetiche. Questo fluido avrebbe dovuto penetrare ogni cosa ed estendersi in ogni dove, nello spazio interplanetario e nello spazio interstellare. I moti di tutti i corpi celesti sarebbero avvenuti nell'etere che non opponeva alcuna resistenza ed era completamente trasparente alla luce.

Non c'era però alcun metodo sperimentale che potesse provare la effettiva presenza dell'etere.

Si provò a misurare (esperienza di Michelson Morley) il cosiddetto vento d'etere studiando la propagazione della luce in diverse direzioni e in diverse stagioni (se la Terra ruota intorno al Sole attraversando un mare d'etere, la sua velocità rispetto all'etere avrebbe dovuto cambiare direzione durante il periodo di rivoluzione), ma non si rivelò nessuna differenza significativa tra le diverse misure.

La velocità della luce era sempre la stessa in ogni riferimento, come se essa fosse sempre riferita all'ipotetico etere. Il riferimento dell'etere sembrava assumere un ruolo di riferimento assoluto o privilegiato negato dalla meccanica di Newton.

Un altro problema era che le equazioni dell'elettromagnetismo di Maxwell prevedono che una carica immobile crea un campo elettrostico, mentre una in moto (una corrente) crea un campo magnetico. Sembra quindi che osservatori in sistemi di riferimento differenti siano immersi in campi diversi e misurino di conseguenza forze di diversa natura.

Un protone si muove con velocità v parallelamente ad un filo rettilineo percorso da corrente elettrica. La velocità del protone è concorde con il verso della corrente. Descrivi il fenomeno (e le forze che agiscono) dal punto di vista del laboratorio e dal punto di vista del protone.