Astronomia

relatività Generale, teoria rende diverse previsioni sul comportamento di spazio e di tempo. Una di queste previsioni, messe in termini quotidiani, è che più forte è la gravità, più lento è il ritmo del tempo. Tale affermazione va molto contro il nostro senso intuitivo del tempo come un flusso che tutti condividiamo. Il tempo è sempre sembrato il più democratico dei concetti: tutti noi, indipendentemente dalla ricchezza o dallo status, sembrano muoversi insieme dalla culla alla tomba nella grande corrente del tempo.

Ma Einstein ha sostenuto che sembra solo in questo modo a noi perché tutti gli esseri umani finora hanno vissuto e sono morti nell’ambiente gravitazionale della Terra. Non abbiamo avuto la possibilità di testare l’idea che il ritmo del tempo potrebbe dipendere dalla forza di gravità, perché non abbiamo sperimentato gravità radicalmente diverse. Inoltre, le differenze nel flusso del tempo sono estremamente piccole fino a quando non sono coinvolte masse veramente grandi. Tuttavia, la previsione di Einstein è stata ora testata, sia sulla Terra che nello spazio.

The Tests of Time

Un ingegnoso esperimento del 1959 utilizzò l’orologio atomico più accurato conosciuto per confrontare le misurazioni del tempo al piano terra e all’ultimo piano dell’edificio di fisica dell’Università di Harvard. Per un orologio, gli sperimentatori hanno utilizzato la frequenza (il numero di cicli al secondo) dei raggi gamma emessi dal cobalto radioattivo. La teoria di Einstein prevede che un tale orologio al cobalto al piano terra, essendo un po ‘ più vicino al centro di gravità della Terra, dovrebbe funzionare leggermente più lentamente dello stesso orologio al piano superiore. Questo è esattamente ciò che gli esperimenti hanno osservato. Più tardi, gli orologi atomici furono portati su aerei ad alta quota e persino su uno dei voli spaziali Gemini. In ogni caso, gli orologi più lontani dalla Terra correvano un po ‘ più velocemente. Mentre nel 1959 non importava molto se l’orologio in cima all’edificio correva più veloce dell’orologio nel seminterrato, oggi quell’effetto è molto rilevante. Ogni smartphone o dispositivo che si sincronizza con un GPS deve correggere per questo (come vedremo nella prossima sezione) poiché gli orologi sui satelliti funzioneranno più velocemente degli orologi sulla Terra.

L’effetto è più pronunciato se la gravità coinvolta è del Sole e non della Terra. Se una gravità più forte rallenta il ritmo del tempo, allora ci vorrà più tempo per una luce o un’onda radio che passa molto vicino al bordo del Sole per raggiungere la Terra di quanto ci aspetteremmo sulla base della legge di gravità di Newton. (Ci vuole più tempo perché lo spaziotempo è curvo in prossimità del Sole.) Minore è la distanza tra il raggio di luce e il bordo del Sole al più vicino approccio, più lungo sarà il ritardo nel tempo di arrivo.

Nel novembre 1976, quando i due veicoli spaziali Viking stavano operando sulla superficie di Marte, il pianeta andò dietro il Sole visto dalla Terra (Figura 1). Gli scienziati avevano preprogrammato Viking per inviare un’onda radio verso la Terra che sarebbe andato estremamente vicino alle regioni esterne del Sole. Secondo la relatività generale, ci sarebbe un ritardo perché l’onda radio passerebbe attraverso una regione in cui il tempo correva più lentamente. L’esperimento è stato in grado di confermare la teoria di Einstein entro lo 0,1%.

Figura 1. Ritardi temporali per le onde radio vicino al Sole: i segnali radio del lander Viking su Marte sono stati ritardati quando sono passati vicino al Sole, dove lo spaziotempo è curvo in modo relativamente forte. In questa immagine, lo spaziotempo è raffigurato come un foglio di gomma bidimensionale.

Redshift gravitazionale

Cosa significa dire che il tempo scorre più lentamente? Quando la luce emerge da una regione di forte gravità in cui il tempo rallenta, la luce sperimenta un cambiamento nella sua frequenza e lunghezza d’onda. Per capire cosa succede, ricordiamo che un’onda di luce è un fenomeno ripetuto—crest segue crest con grande regolarità. In questo senso, ogni onda luminosa è un piccolo orologio, mantenendo il tempo con il suo ciclo d’onda. Se la gravità più forte rallenta il ritmo del tempo (rispetto a un osservatore esterno), allora la velocità con cui crest segue crest deve essere corrispondentemente più lenta—cioè, le onde diventano meno frequenti.

Per mantenere costante la velocità della luce (il postulato chiave nelle teorie della relatività speciale e generale di Einstein), la frequenza più bassa deve essere compensata da una lunghezza d’onda più lunga. Questo tipo di aumento della lunghezza d’onda (quando causato dal movimento della sorgente) è quello che abbiamo chiamato un redshift nelle radiazioni e negli spettri. Qui, poiché è la gravità e non il movimento che produce le lunghezze d’onda più lunghe, chiamiamo l’effetto un redshift gravitazionale.

L’avvento della tecnologia dell’era spaziale ha permesso di misurare il redshift gravitazionale con una precisione molto elevata. A metà degli anni 1970, un maser di idrogeno, un dispositivo simile a un laser che produce un segnale radio a microonde a una particolare lunghezza d’onda, è stato trasportato da un razzo ad un’altitudine di 10.000 chilometri. Gli strumenti a terra sono stati utilizzati per confrontare la frequenza del segnale emesso dal maser a razzo con quella di un maser simile sulla Terra. L’esperimento ha mostrato che il campo gravitazionale più forte sulla superficie terrestre ha davvero rallentato il flusso del tempo rispetto a quello misurato dal maser nel razzo. L’effetto osservato corrispondeva alle previsioni della relatività generale in poche parti in 100.000.

Questi sono solo alcuni esempi di test che hanno confermato le previsioni della relatività generale. Oggi, la relatività generale è accettata come la nostra migliore descrizione della gravità ed è usata da astronomi e fisici per comprendere il comportamento dei centri delle galassie, l’inizio dell’universo e il soggetto con cui abbiamo iniziato questo capitolo—la morte di stelle veramente massicce.

Relatività: un’applicazione pratica

Ormai potresti chiedere: perché dovrei essere disturbato con la relatività? Non posso vivere perfettamente la mia vita senza di essa? La risposta è che non è possibile. Ogni volta che un pilota atterra un aereo o si utilizza un GPS per determinare dove ci si trova su un disco o escursione nel paese posteriore, voi (o almeno il vostro dispositivo GPS-enabled) deve prendere gli effetti della relatività generale e speciale in considerazione.

Il GPS si basa su una serie di 24 satelliti in orbita attorno alla Terra, e almeno 4 di essi sono visibili da qualsiasi punto della Terra. Ogni satellite porta un preciso orologio atomico. Il ricevitore GPS rileva i segnali provenienti da quei satelliti che sono in testa e calcola la tua posizione in base al tempo che ha impiegato quei segnali per raggiungerti. Supponiamo che tu voglia sapere dove ti trovi entro 50 piedi (i dispositivi GPS possono effettivamente fare molto meglio di questo). Dal momento che ci vogliono solo 50 miliardesimi di secondo per la luce di viaggiare 50 piedi, gli orologi sui satelliti devono essere sincronizzati almeno a questa precisione—e gli effetti relativistici devono quindi essere presi in considerazione.

Gli orologi dei satelliti orbitano attorno alla Terra ad una velocità di 14.000 chilometri all’ora e si muovono molto più velocemente degli orologi sulla superficie della Terra. Secondo la teoria della relatività di Einstein, gli orologi sui satelliti ticchettano più lentamente degli orologi terrestri di circa 7 milionesimi di secondo al giorno. (Non abbiamo discusso la teoria speciale della relatività, che si occupa di cambiamenti quando gli oggetti si muovono molto velocemente, quindi dovrete prendere la parola per questa parte.)

Le orbite dei satelliti sono 20.000 chilometri sopra la Terra, dove la gravità è circa quattro volte più debole rispetto alla superficie terrestre. La relatività generale dice che gli orologi orbitanti dovrebbero spuntare circa 45 milionesimi di secondo più velocemente di quanto farebbero sulla Terra. L’effetto netto è che il tempo su un orologio satellitare avanza di circa 38 microsecondi al giorno. Se questi effetti relativistici non fossero presi in considerazione, gli errori di navigazione inizierebbero a sommarsi e le posizioni sarebbero fuori di circa 7 miglia in un solo giorno.

Glossario

spostamento gravitazionale verso il rosso:

un aumento della lunghezza d’onda di un’onda elettromagnetica (luce) quando si propaga da o vicino a un oggetto massiccio