Capire la Fisica

Per spiegare che il tempo con il moto rallenta i sostenitori della relatività fanno vari esempi, questi sono tutti esercizi mentali utili a capire che il tempo non è assoluto.

Di seguito vi riporto quattro esempi classici che troverete spesso nei libri di fisica, con la relativa soluzione.

Primo esempio:
Immaginiamo che dobbiamo verificare la simultaneità di due esplosioni, o meglio ci sono due stelle distanti 600.000km da studiare nello spazio, queste stelle esploderanno contemporaneamente, noi siamo l'osservatore principale che dalla Terra è posizionato esattamente al centro tra le due stelle per determinare con precisione l'esperimento, volendo studiare l'esatto momento dell'esplosione ed accertare effettivamente che si stia verificando contemporaneamente; quando l'esplosione si verifica noi dopo un secondo accertiamo che in effetti è contemporanea vedi Figura 11.2 (foto tratte da: "La scienza", Spazio Tempo e Materia UTET pag. 302,303).

Ma le cose si complicano vedi Figura 11.3, se un secondo osservatore sempre al centro delle due stelle, si trova invece in moto su un astronave che va a 30.000 km/s viaggiando parallelo alle stelle in direzione della seconda stella, questo osservatore andando verso la seconda stella avrà prima da lei il segnale e solo dopo quello della prima stella che invece da lei si sta allontanando questo ritardo si verifica proprio per la velocità dell'astronave e siccome la velocità della luce misurata con uno strumento dall'osservatore sull'astronave è sempre 300.000 km/s questo conferma il principio della costanza della velocità della luce, perciò da questo esperimento si capisce che quando l'osservatore è in movimento le misurazioni sono relative non più assolute, quindi qui è il tempo a variare (interpretazione relativistica).

Premessa, voglio precisare che questi esempi sono la classica prova mentale di fisica "spiccia", il fine è sempre lo stesso, di dimostrare la bontà delle teorie. Per far questo si espongono vari esempi più o meno complessi che non entrano nel merito, ma tutti sono solo teorici atti a dimostrare che il tempo è relativo alla velocità, però se stiamo attenti in questi esempi c'è sempre un piccolo errore nascosto da farli sembrare veri, io proverò a confutarli.

L'esperimento può avere un'altra spiegazione? Io penso di si.

In questo esempio si capisce che l'osservatore sull'astronave viaggiando nella direzione della seconda stella, perde la precisione dell'osservazione centrale primaria, proprio perché si sposta dal centro e non perché va al 30.000 km/s, per dimostrare che quello che dico è corretto, mettiamo che l'astronave vada sempre a 30.000 km/s e parta sempre dalla posizione centrale cioè la misurazione dell'evento, ma la sua direzione sia ortogonale alle stelle perciò rimanga sempre centrale come posizione, passato un secondo l'astronave starà esattamente a 30.000km dall'osservatore centrale fisso, ma sempre con una postazione centrale, qui verifica che l'evento è sempre contemporaneo come afferma anche l'osservatore centrale fermo, in questo caso coincide tutto, i punti di osservazione ed anche l'orologio dell'astronave in moto con quello dell'osservatore che è fermo, come si può spiegare questo? Per avere la prova del nove mettiamo che l'osservatore sull'astronave viaggi nelle varie direzioni, ma mantiene sempre una posizione centrale dalle stelle quindi dopo un secondo esatto è sempre esattamente equidistane, come l'osservatore centrale fisso, anche in questi casi l'osservatore sull'astronave ha la stessa visione dell'osservatore centrale fermo e anche i loro orologi coincideranno perfettamente. Come è possibile che la dilatazione del tempo funziona solo in una particolare soluzione e non in tutte le altre?
Se stiamo attenti la soluzione proposta dai relativisti è l'unica dove l'osservatore evidenzia anche un effetto Doppler nelle due rilevazioni.


Secondo esempio:
Immaginiamo di avere due orologi a luce identici, questi sono montati su un asta da un metro con uno specchio all'altra estremità; mi spiego meglio, abbiamo un emettitore di luce montato ad un'estremità di un'asta mentre sull'altra estremità c'è uno specchio, quando la sorgente emette un lampo di luce, questa arriva e si riflette nello specchio e torna indietro ed emette un click di conferma, questi vengono chiamati dai relativisti orologi a luce, immaginiamoli due perfettamente sincronizzati tra loro, sono orologi semplici ma molto precisi, l'esperimento consiste nel prendere un orologio e montarlo su una astronave posizionandolo perpendicolarmente alla direzione dell'astronave.
Inizia l'esperimento un osservatore viaggia sull'astronave a 30.000 km/s lui vede l'orologio a luce funzionare perfettamente il secondo osservatore rimane a terra controllando l'altro orologio, anche lui verifica il perfetto funzionamento. In conclusione tutte e due gli osservatori non notano nessuna anomalia come afferma anche la teoria della relatività Galileiana infatti è impossibile senza guardare fuori in un moto uniforme accorgersi di un cambiamento, però cosa vede l'osservatore fermo a terra? Vede l'orologio a luce dell'astronave funzionare perfettamente, si accorge però che il raggio di luce esegue un percorso reale a zig-zag per l'effetto dell'avanzamento, infatti andando a 30.000 km/s quando la sorgente emette il lampo questo nel percorrere un metro l'astronave avanza dieci centimetri la stessa cosa avviene dallo specchio al click, quindi la luce nell'orologio ha un percorso più lungo rispetto all'orologio fermo a terra, ecco dimostrato perché il tempo è relativo e rallenta con la velocità.

Questo esempio è stato spiegato nel capitolo “la Dilatazione del Tempo per la relatività” qui vorrei solo approfondire, riportando un fatto detto da Galileo Galilei a proposito dell'esempio che veniva proposto nella sua epoca per smentire la teoria Copernicana, qui l'intenzione era di dimostrare l'infondatezza della teoria, cioè che il Sole orbita intorno alla Terra e non viceversa, gli scettici proponevano un esperimento banale.
“Se tu sali su una torre e lasci cadere un sasso cronometrando il tempo in secondi che impiega per arrivare a terra, constatati che il sasso è caduto lungo la perpendicolare della torre cioè a piombo con il terreno e ci ha impiegato diciamo 7 secondi. Qui loro affermavano se avesse ragione Copernico la Terra in questo caso nell'eseguire la sua orbita intorno al Sole avrebbe una velocità molto alta qualche chilometro al secondo, come è possibile che nei sette secondi passati per toccare il suolo il sasso invece cade sempre perpendicolarmente al terreno ai piedi della torre?”
Qui Galileo per controbattere affermava “Se noi prendiamo un sasso e lo lasciamo cadere da una torre questo nel cadere cadrà sempre a piombo cioè ortogonale al terreno incurante del moto della Terra, succede la stessa cosa se rifacciamo l'esperimento sull'albero di maestra di una nave con moto costante”.
Questa è la risposta data da Galileo nel 1630, adesso secondo i relativisti dovremmo rinnegare la verità.

Terzo esempio:
Il prossimo esempio è ripreso dal libro “L'Universo elegante” di Brian Greene, (pag 30)

Immaginiamo di scappare perché siamo inseguiti da un folle che ci vuole sparare con un fucile laser, allora, noi scappiamo con l'aiuto di una astronave che va al 50% della velocità della luce, il folle sta fermo e ci spara, noi abbiamo il vantaggio di un solo secondo la domanda è, se noi andiamo a 150.000km/s e il raggio laser va ad una velocità di 300.000km/s a quale velocità andrà per noi il raggio laser e quanto tempo passerà una volta sparato il fucile per colpirci con il raggio?

La risposta giusta è, il raggio per l'astronave andrà sempre a 300.000km/s e ci colpirà dal suo lancio dopo un secondo esatto; con questo esempio i relativisti avendo la soluzione chiudono il ragionamento e affermano che la luce non rispetta la relatività Galileiana.

Io affermo che non è vero perché bisogna studiare a fondo l'esperimento per capire.
Per comodità immaginiamo di essere colpiti non da un fucile laser ma da un raggio ultravioletto, così nell'esperimento non muore nessuno.
Diciamo che il raggio ultravioletto ha una lunghezza d'onda di 380 nanometri cioè 380 milionesimi di millimetro, e va alla velocità nota di 300.000km/s, se noi vogliamo sapere quante onde fa la luce ultravioletta in un millimetro noi dobbiamo fare 1.000.000/380=2.631,578 onde, ma quando la luce ha percorso un solo millimetro noi andando a 150.000km/s ne percorriamo 0,5 di millimetro quindi noi togliamo energia al raggio di luce, questa energia se vogliamo quantificarla sarà 500.000/380=1.315,789 onde, per sapere quando e da cosa saremmo colpiti dobbiamo prendere le 2.631,578 onde di partenza e sottrarre le 1.315,789 onde che noi togliamo a causa del moto dell'astronave, 2.631,578-1.315,789=1.315,789 esattamente la metà delle onde di partenza, quindi noi saremmo colpiti da un raggio depotenziato infrarosso con una lunghezza d'onda di 760 nanometri ma se gli misuriamo la velocità sarà sempre 300.000km/s, però rispetto a noi avrà un energia depotenziata quindi girandoci vedremmo solo un raggio rosso e saremo colpiti da questo raggio dopo un secondo esatto proprio perché noi in due secondi avremo percorso 300.000km come il raggio di luce ne percorre in uno.

Quindi anche la luce rispetta la relatività Galileiana, ma in questo caso parlando di radiazioni di luce la velocità non si può sommare con il moto della nave, qui la legge della Relatività Galileiana deve essere solo aggiornata perché si deve aggiungere la quantità di energia che la luce trasporta lasciando inalterata la sua velocità, per questo non basta dire la velocità del raggio di luce bisogna specificare bene la lunghezza d'onda della luce, perché dall'astronave se misuriamo la velocità del raggio di luce a noi risulterà sempre 300.000km/s perché noi misuriamo i metri lineari percorsi non misuriamo il percorso ondulatorio effettivo della luce perciò è importante sapere anche la quantità effettiva di energia trasportata per capire bene l'esperimento.

Quarto esempio:
Questo esempio è ripreso dal libro “L'Universo elegante” di Brian Greene, con questo esempio Brian ha fatto scoppiare addirittura una guerra tra due popoli, quelli di “Avantia” e quelli di “Indietria” per fortuna solo immaginaria (pag 31).

“Immaginiamo di stare su un treno che va ad altissima velocità con un moto uniforme diciamo anche qui che si va a una velocità di 150.000km/s, la metà della velocità della luce, ci sono due osservatori sulla carrozza, il primo si trova all'estremità anteriore nel verso del treno l'altro invece sta in fondo alla carrozza, invece al centro della carrozza attaccata al soffitto c'è una lampadina con un interruttore. Quando si accende con il treno fermo nello stesso istante tutte e due gli osservatori vedono il raggio di luce, succede la stessa cosa anche se il treno ha un moto uniforme loro vedranno la lampadina accendersi nello stesso istante ma se mettiamo un terzo osservatore fermo sulla banchina al centro del vagone e ai due osservatori interni li dotiamo di due specchi per inviargli la luce della lampadina, il terzo vedrà il raggio arrivare prima dal secondo osservatore che gli stai andando incontro e solo dopo dal primo che da lui si sta allontanando”.

Come si spiega questo? Secondo Lui questa è la prova che il tempo è relativo con la velocità.
In più aggiunge: “Se non riuscite a mandare giù questa idea, consolatevi: non siete i soli”.

Io dico: “Brian non potevi farmi un esempio più appropriato questo li raggruppa un po' tutti, così ti posso dimostrare non solo che ho capito il problema ma ho anche capito dove Voi relativisti avete sempre sbagliato, in più evito una guerra, che ai tempi d'oggi è sempre una buona cosa”.

Allora come vi ho già detto, quando si fanno questi esempi non basta dire un raggio di luce, dobbiamo conoscere anche la sua lunghezza d'onda esatta per sapere la quantità di energia trasportata, immaginiamo che la lampadina emetta un raggio ben determinato diciamo con una lunghezza d'onda di 400 nanometri quasi ultravioletta, adesso per capire meglio allungo il treno per comodità, immaginiamo che abbiamo una carrozza molto, molto lunga diciamo di 450.000km (in effetti è veramente molto lunga), siccome Brian mette un terzo osservatore fermo sulla banchina io chiedo l'aggiunta di un quarto osservatore sul treno accanto alla lampadina come verifica di tutto l'esperimento, il terzo osservatore è fermo sulla banchina e si trova al centro della carrozza quando inizia l'esperimento di fronte al quarto osservatore che è sempre al centro ma dentro la carrozza accanto alla lampadina, infine per essere sicuri di avere una osservazione imparziale, dotiamo i tre osservatori interni anche di specchi speciali che riescono ad inviare contemporaneamente il segnale della lampadina direttamente al terzo e al quarto osservatore, in più il quarto osservatore sul treno come riceve i due raggi di luce e li invia al terzo osservatore esterno fermo sulla banchina. Adesso che abbiamo messo tutti i controlli necessari eseguiamo l'esperimento, prima quando il treno è fermo e poi quando è in movimento. Quando è fermo tutti vedono una luce molto energetica di 400 nanometri e constatano che il raggio impiega esattamente un 0,75 di secondo sia per andare in testa sia per andare in coda alla carrozza dato che il raggio di luce deve percorrere 225.000km da ambo le parti, qui sia l'osservatore esterno che quello interno vedono la lampadina accendersi ed esattamente dopo un secondo e mezzo, tutti vedono i due segnali di ritorno dal primo e dal secondo osservatore, il terzo osservatore ha la conferma dell'invio contemporaneo dei raggi anche dal quarto osservatore.

Cosa succede invece quando il treno va a 150.000km/s?

La lampadina si accende esattamente quando è allineata con il terzo osservatore esterno, sia il secondo che è in coda ma anche il primo che è in testa vedono sempre la luce dopo 0,75 di secondo anche se il secondo va nella direzione della luce perché il moto del treno è uniforme, tutte e due vedranno un raggio di luce con una lunghezza d'onda di 400 nanometri perché il moto del treno al secondo osservatore toglie l'energia cinetica della lampadina ma la da a lui come ricevitore, all'inverso lo farà al primo osservatore, adesso cosa succede all'osservatore fermo sulla banchina del treno? Lui vedrà il treno sfrecciare e la luce accendersi di fronte a lui e dopo 0,75 di secondo il raggio di rimbalzo dello specchio del secondo osservatore lo vedrà con una frequenza di 400 nanometri perché gli sta esattamente di fronte, per lui il suo moto non può incrementare energia, qui costatiamo che la luce non ha subito deviazioni del percorso, ma solo dopo 2,25 secondi gli arriverà il raggio di rimbalzo dello specchio del primo osservatore, lui vedrà un raggio con una frequenza di 400 nanometri perché il moto del treno lascerà invariata la frequenza, come saranno i segnali del quarto osservatore sul treno?
Lui riceve dal primo e dal secondo i raggi contemporaneamente sempre dopo 1,5 secondi, e li rinvia contemporaneamente al terzo osservatore esterno che li riceverà insieme dopo 3,00 secondi esatti dall'accensione della lampadina, con questo esperimento il terzo osservatore esterno capisce che per il secondo osservatore con il moto del treno gli va incontro alla lampadina accorciandogli la strada da percorrere diversamente dal primo osservatore che si allontana da lei, ma non c'è nessun mistero, il tempo scorre inesorabile uguale per tutti gli osservatori. Per eseguire bene questo esperimento dobbiamo per forza mantenere la centralità dell'osservazione, solo così garantiamo la correttezza dell'esperimento. Qui comprendiamo che il tempo non è variato perché se sottraiamo ai 3,00 secondi dell'esperimento con il treno in moto ed i 1,50 secondi del primo esperimento con il treno fermo, rimangono 1,50 secondi che è il tempo necessario alla luce per ripercorrere 450.000km percorsi dal treno. Ma non abbiamo ancora finito di studiare l'esperimento, perché dobbiamo ancora capire come si ripercuote sulla luce il ritardo di 1,50 secondi per la conferma della bontà dell'esperimento. Quando il terzo osservatore fermo controllerà i raggi di risposta dal quarto osservatore troverà la lunghezza d'onda modificata a 200 nanometri, qui cosa abbiamo capito? Che il tempo non è relativo, perché il terzo osservatore fermo sulla banchina si accorgerà che dal quarto osservatore ha ricevuto contemporaneamente i segnali per il controllo però con una differenza la riduzione della frequenza da 400 a 200 nanometri questo dimezzamento della frequenza è necessario per far percorrere alla luce i 450.000 km per il moto del treno questa è la risposta al quesito, da qui capirà anche lui che il tempo è estraneo all'esperimento, che la soluzione è la frequenza cioè la quantità di energia trasportata, quindi la sua prima osservazione era viziata e quella corretta è quella che gli ha inviato il quarto osservatore posizionato al centro del treno.