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La Relatività
La Relatività è una teoria formulata all'inizio del XX secolo per spiegare il comportamento delle leggi fisiche in sistemi in moto relativo. Dovuta principalmente ad Albert Einstein, essa portò alla definizione di principi completamente estranei alla fisica classica come l'equivalenza tra massa ed energia, tra spazio e tempo, e tra i concetti di gravitazione e accelerazione.
Fisica classica
Le leggi della fisica classica, accettate prima della diffusione della teoria della relatività, erano fondate sui principi della meccanica enunciati nel XVII secolo da Isaac Newton. La meccanica newtoniana differisce dalla meccanica relativistica sia nei principi fondamentali sia nella forma matematica, ma giunge a risultati equivalenti se applicata allo studio di processi che coinvolgono velocità piccole rispetto a quella di propagazione della luce. Una descrizione corretta di sistemi in moto con alte velocità richiede invece l'uso della relatività.
In generale, la differenza tra la descrizione classica e quella relativistica del comportamento di qualunque oggetto in movimento sta in un fattore introdotto alla fine del XIX secolo da Hendrik Antoon Lorentz e da George Francis Fitzgerald. Questo fattore si rappresenta generalmente con la lettera greca b (beta) e dipende dalla velocità dell'oggetto (v), dove c è la velocità della luce. Per velocità ordinarie il valore di beta si discosta di quantità infinitesime dall'unità; di conseguenza le correzioni relativistiche sono di scarsa importanza per la maggior parte dei fenomeni che hanno luogo sulla Terra, ma diventano significative negli studi astronomici.
Analogamente, l'approccio relativistico è fondamentale quando entrano in gioco distanze o masse molto grandi. Nell'ambito della fisica classica l'analisi dei sistemi inerziali, cioè in moto rettilineo uniforme l'uno rispetto all'altro, veniva condotta sulla base delle trasformazioni di Galileo, che fornivano le relazioni tra le coordinate e la velocità di un punto rispetto ai due sistemi. Come conseguenza di queste trasformazioni - lineari nelle velocità e nella variabile temporale - le leggi della meccanica newtoniana hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziali (principio di relatività galileiano).
Nella seconda metà del secolo scorso, tuttavia, si scoprì che le equazioni di Maxwell, che costituivano la base dell'elettromagnetismo, non sono invarianti per trasformazione di Galileo. Questa considerazione mise in dubbio la validità del principio di relatività galileiano e quindi l'equivalenza di tutti i sistemi di riferimento inerziali. Fu introdotto il concetto di etere, una sostanza ideale in cui si ipotizzava avvenisse la propagazione delle onde elettromagnetiche, e fu quindi definito un sistema di riferimento privilegiato a riposo rispetto all'etere.
Nel 1887 i fisici Albert Michelson ed Edward Williams Morley misero a punto il celebre esperimento per rilevare il moto della Terra rispetto all'etere: esso consisteva nel misurare la differenza tra la velocità di propagazione di un raggio di luce e quella di un raggio a esso perpendicolare. Secondo la legge di composizione delle velocità, la velocità di un raggio di luce, rilevata da un osservatore sulla superficie terrestre e quindi supposto in moto rispetto all'etere, sarebbe dovuta dipendere dalla direzione di propagazione.
L'esperimento dimostrò l'indipendenza della velocità della luce dalla direzione di propagazione e questo risultato, interpretato come prova dell'inesistenza dell'etere, fu una conferma del principio di relatività galileiano ed escluse la possibilità di un sistema di riferimento privilegiato.
Nel 1904 Lorentz modificò le trasformazioni di Galileo per ottenere un insieme di equazioni, note oggi come trasformazioni di Lorentz, rispetto alle quali fossero invarianti le leggi dell'elettromagnetismo.
Teoria della relatività speciale
Nel 1905 Einstein pubblicò il primo di due importanti studi sulla teoria della relatività, in cui negava l'esistenza del moto assoluto. Egli sosteneva che nessun oggetto dell'universo potesse rappresentare un sistema di riferimento fisso rispetto al resto dello spazio ma, al contrario, che qualunque corpo (ad esempio, il centro del sistema solare) potesse essere un buon sistema di riferimento rispetto al quale studiare il moto di un corpo. In parole semplici ciò significa che è equivalente affermare che un treno si allontana da una stazione o che la stazione si allontana dal treno.
Einstein elaborò inoltre una severa disamina del concetto di contemporaneità mettendo in dubbio, accanto al concetto di moto assoluto, la possibilità di definire un tempo assoluto.
Sulla base del risultato dell'esperimento di Michelson e Morley e delle precedenti considerazioni di Lorentz, egli suggerì inoltre che le trasformazioni galileiane dovessero essere sostituite con quelle di Lorentz. Queste ultime prevedono che la variabile temporale vari in due sistemi di riferimento in moto relativo rettilineo uniforme, e quindi che un orologio in moto relativo rispetto a un osservatore rallenti. Il principio di tempo assoluto della meccanica newtoniana fu sostituito dal principio di invarianza della velocità della luce dallo stato di moto dell'osservatore.
La scoperta dell'elettrone fornì poi la possibilità di verificare la correttezza delle trasformazioni di Lorentz; gli elettroni emessi dalle sostanze radioattive, infatti, hanno velocità prossime a quella della luce, tali cioè da far assumere al fattore beta valori apprezzabili. Gli esperimenti confermarono le predizioni di Einstein; la massa di un elettrone dotato di velocità prossime a quelle della luce risulta maggiore della massa a riposo, esattamente nella misura prevista. L'incremento della massa dell'elettrone era dovuto alla conversione dell'energia cinetica in massa, secondo la formula E=mc2 (vedi Atomo; Energia nucleare). La teoria di Einstein fu confermata anche mediante esperimenti sulla velocità della luce in corpi d'acqua in moto e sulle forze magnetiche in alcune sostanze.
L'ipotesi fondamentale su cui poggiava tutta la teoria einsteiniana era che per due osservatori in moto relativo uno rispetto all'altro a velocità costante valessero le stesse leggi della natura. L'abbandono del concetto di simultaneità comporta che due eventi registrati come simultanei da un osservatore non risultino tali rispetto a un secondo osservatore in moto rispetto al primo. In altre parole, non ha senso assegnare l'istante in cui avviene un evento senza definire un riferimento spaziale.
L'evoluzione di ogni particella o oggetto nell'universo viene descritta da una cosiddetta linea universale in uno spazio a quattro dimensioni (tre per lo spazio e la quarta per il tempo), detto spazio-tempo. La "distanza" o "intervallo" tra due eventi qualsiasi può essere accuratamente descritta per mezzo di una combinazione di intervalli di spazio e di tempo.
Teoria della relatività generale
Nel 1915 Einstein formulò la teoria della relatività generale, valida anche per sistemi in moto accelerato l'uno rispetto all'altro. La necessità di questa teoria era data dall'apparente contrasto esistente tra le leggi della relatività e quella della gravitazione. Per risolvere questi conflitti egli sviluppò un approccio completamente nuovo al concetto di gravità.
Nella nuova formulazione le forze associate alla gravità sono del tutto equivalenti a quelle apparentemente prodotte da un'accelerazione, per cui risulta teoricamente impossibile distinguere per via sperimentale i due tipi di forze. Questo concetto può essere chiarito con un celebre esempio. Supponiamo che un astronauta si trovi in un una navetta in moto verso l'alto, con un'accelerazione pari a quella esercitata dall'attrazione gravitazionale sulla superficie della Terra, in una zona dello spazio in cui non si manifestino effetti della forza di gravità; un corpo lasciato cadere dall'astronauta rimane fermo rispetto a un sistema di riferimento esterno alla navetta stessa (su di esso non agisce alcuna forza); tuttavia esso sarà ben presto raggiunto dal pavimento per effetto del suo moto accelerato. In queste condizioni l'osservatore vede il corpo cadere verso il basso esattamente come avverrebbe se fosse fermo in un campo gravitazionale; egli non è quindi in grado di distinguere la situazione reale da quella apparente, dovuta alla presenza dell'accelerazione.
In altre parole, la teoria della relatività speciale stabilisce che una persona, all'interno di una macchina che viaggi a velocità costante su una strada liscia, non può in alcun modo sapere se si trova in quiete o in moto rettilineo uniforme; la teoria della relatività generale afferma invece che una persona all'interno della macchina in moto accelerato, decelerato o curvilineo non può dire in alcun modo se le forze che determinano il moto siano di origine gravitazionale o se si tratti di forze di accelerazione attivate da altri meccanismi.
Come ulteriore esempio si consideri un astronauta in piedi in una navetta ferma sulla Terra. A causa della gravità i suoi piedi aderiscono al pavimento della navicella con una forza pari al peso della persona, w. Se si considera la stessa navicella nello spazio, lontana da qualunque oggetto e non soggetta in alcun modo alla gravità, l'astronauta aderisce ancora al pavimento, se la navicella accelera. Se l'accelerazione è pari a 9,8 m/sec2 (il valore di accelerazione di gravità sulla superficie della Terra), la forza con cui l'astronauta è ancorato al pavimento della navicella è ancora uguale a w. Senza guardare fuori dal finestrino, l'astronauta non è in grado di capire se la navicella si trovi ferma a terra o in accelerazione nello spazio.
Secondo la teoria di Einstein, la legge di gravitazione di Newton è un'ipotesi non necessaria; Einstein considera infatti tutte le forze, sia quelle gravitazionali sia quelle convenzionalmente associate all'accelerazione, come effetti di un'accelerazione. In questo modo la forza gravitazionale che fa sì che la navicella ferma a terra rimanga salda sul terreno è un fenomeno di attrazione attribuibile a un'accelerazione della navicella. Infatti nello spazio tridimensionale la navicella è ferma, perciò non accelera; nello spazio-tempo a quattro dimensioni, invece, essa è in moto lungo la sua linea universale.
L'ipotesi di Newton secondo cui due oggetti si attraggono con una forza di entità proporzionale al prodotto delle loro masse viene sostituita in relatività dall'ipotesi che lo spazio-tempo sia incurvato nelle vicinanze dei corpi massivi. La legge della gravitazione di Einstein consiste semplicemente nell'affermazione che la linea universale di un corpo è una geodetica nello spazio-tempo. (Si definisce geodetica la linea più corta che congiunge due punti dati; in uno spazio curvo le geodetiche generalmente non sono rette, ma linee curve). Vedi Geometria; Geometria non-euclidea; Navigazione: proiezioni di mappe e carte.
Conferme e modifiche
Come si è già avuto modo di dire, la descrizione classica e quella relativistica giungono generalmente a risultati identici, sebbene quest'ultima abbia una formulazione matematica assai complessa basata sull'applicazione dell'algebra tensoriale e della geometria di Riemann. La famosa affermazione secondo cui solo dieci persone al mondo avrebbero capito la teoria di Einstein allude proprio alla difficoltà dei concetti matematici che costituiscono il presupposto del formalismo della teoria.
La relatività ha trovato un gran numero di conferme sperimentali da quando è stata introdotta. Ad esempio, durante l'eclisse del 1919 è stata verificata la deflessione di un raggio di luce nelle immediate vicinanze del Sole, come previsto dalla teoria. Recentemente sono stati effettuati test analoghi per misurare la deflessione delle onde radio emesse da quasar lontani, mediante l'uso di interferometri a radiotelescopio. I risultati di questi test concordano entro un margine di errore dell'1% con le previsioni della relatività generale.
Un'altra conferma sperimentale viene dal moto del perielio (il punto in cui un pianeta passa più vicino al Sole) dell'orbita di Mercurio. Tale moto, che non trova spiegazione nell'ambito della fisica classica, è invece previsto dalla teoria della relatività e le recenti misure radar effettuate sono in ottimo accordo con le previsioni.
Un altro fenomeno prescritto dalla relatività generale è lo spostamento verso il rosso della lunghezza d'onda della radiazione emessa da oggetti posti in intensi campi gravitazionali; esso è stato più volte osservato mediante misurazioni astronomiche.
Osservazioni successive
Dopo il 1915 la teoria della relatività venne ampliata da Einstein stesso e ulteriormente sviluppata da scienziati come James Jeans, Arthur Eddington, Edward Arthur Milne, Willem de Sitter e Hermann Weyl. Gran parte del loro lavoro fu volto a estendere la teoria della relatività in modo da includere i fenomeni elettromagnetici.
I fisici hanno indagato anche sulle conseguenze cosmologiche della teoria della relatività. Entro lo schema degli assiomi posti da Einstein sono possibili molte linee di sviluppo. Ad esempio, si sa che lo spazio è curvo e si conosce l'esatto grado di curvatura nelle vicinanze dei corpi pesanti, ma non dello spazio vuoto, che pure è incurvato per effetto della materia e della radiazione contenuta nell'intero universo. Inoltre, gli scienziati sono discordi sulla questione se lo spazio sia chiuso (come una sfera), o aperto (come un cilindro con le basi poste all'infinito). La teoria della relatività implica poi la possibilità che l'universo sia in espansione, un'ipotesi che sembra confermata anche dai risultati sperimentali: ad esempio, le linee spettrali delle galassie, dei quasar e di altri oggetti distanti risultano spostate verso il rosso, proprio come ci si aspetterebbe da sorgenti di radiazione che si stanno allontanando. La teoria dell'universo in espansione lascia pensare che la storia passata dell'universo abbia un inizio, ma non esclude altre alternative possibili. Vedi Cosmologia.
Einstein avanzò l'ipotesi che grossi fenomeni perturbativi di natura gravitazionale, quali l'oscillazione o il collasso di stelle massive, generino onde gravitazionali, che si propagherebbero nello spazio-tempo alla velocità della luce. I tentativi di rivelare simili perturbazioni non hanno avuto fino a oggi i risultati sperati, ma sono attualmente in corso vari progetti di ricerca.
Molti dei successivi studi sulla relatività furono dedicati alla creazione di una meccanica quantistica relativistica. Una teoria relativistica per l'elettrone fu sviluppata nel 1928 dal matematico e fisico britannico Paul Dirac; in seguito venne avanzata una teoria quantistica dei campi, chiamata elettrodinamica quantistica, che sintetizza i concetti della relatività e della teoria quantistica per quanto riguarda le interazioni tra gli elettroni, i positroni e la radiazione elettromagnetica. Negli ultimi anni, il fisico britannico Stephen Hawking ha dedicato i suoi studi alla formulazione di una teoria completa, che unisca relatività e meccanica quantistica.
Fisica classica
Le leggi della fisica classica, accettate prima della diffusione della teoria della relatività, erano fondate sui principi della meccanica enunciati nel XVII secolo da Isaac Newton. La meccanica newtoniana differisce dalla meccanica relativistica sia nei principi fondamentali sia nella forma matematica, ma giunge a risultati equivalenti se applicata allo studio di processi che coinvolgono velocità piccole rispetto a quella di propagazione della luce. Una descrizione corretta di sistemi in moto con alte velocità richiede invece l'uso della relatività.
In generale, la differenza tra la descrizione classica e quella relativistica del comportamento di qualunque oggetto in movimento sta in un fattore introdotto alla fine del XIX secolo da Hendrik Antoon Lorentz e da George Francis Fitzgerald. Questo fattore si rappresenta generalmente con la lettera greca b (beta) e dipende dalla velocità dell'oggetto (v), dove c è la velocità della luce. Per velocità ordinarie il valore di beta si discosta di quantità infinitesime dall'unità; di conseguenza le correzioni relativistiche sono di scarsa importanza per la maggior parte dei fenomeni che hanno luogo sulla Terra, ma diventano significative negli studi astronomici.
Analogamente, l'approccio relativistico è fondamentale quando entrano in gioco distanze o masse molto grandi. Nell'ambito della fisica classica l'analisi dei sistemi inerziali, cioè in moto rettilineo uniforme l'uno rispetto all'altro, veniva condotta sulla base delle trasformazioni di Galileo, che fornivano le relazioni tra le coordinate e la velocità di un punto rispetto ai due sistemi. Come conseguenza di queste trasformazioni - lineari nelle velocità e nella variabile temporale - le leggi della meccanica newtoniana hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziali (principio di relatività galileiano).
Nella seconda metà del secolo scorso, tuttavia, si scoprì che le equazioni di Maxwell, che costituivano la base dell'elettromagnetismo, non sono invarianti per trasformazione di Galileo. Questa considerazione mise in dubbio la validità del principio di relatività galileiano e quindi l'equivalenza di tutti i sistemi di riferimento inerziali. Fu introdotto il concetto di etere, una sostanza ideale in cui si ipotizzava avvenisse la propagazione delle onde elettromagnetiche, e fu quindi definito un sistema di riferimento privilegiato a riposo rispetto all'etere.
Nel 1887 i fisici Albert Michelson ed Edward Williams Morley misero a punto il celebre esperimento per rilevare il moto della Terra rispetto all'etere: esso consisteva nel misurare la differenza tra la velocità di propagazione di un raggio di luce e quella di un raggio a esso perpendicolare. Secondo la legge di composizione delle velocità, la velocità di un raggio di luce, rilevata da un osservatore sulla superficie terrestre e quindi supposto in moto rispetto all'etere, sarebbe dovuta dipendere dalla direzione di propagazione.
L'esperimento dimostrò l'indipendenza della velocità della luce dalla direzione di propagazione e questo risultato, interpretato come prova dell'inesistenza dell'etere, fu una conferma del principio di relatività galileiano ed escluse la possibilità di un sistema di riferimento privilegiato.
Nel 1904 Lorentz modificò le trasformazioni di Galileo per ottenere un insieme di equazioni, note oggi come trasformazioni di Lorentz, rispetto alle quali fossero invarianti le leggi dell'elettromagnetismo.
Teoria della relatività speciale
Nel 1905 Einstein pubblicò il primo di due importanti studi sulla teoria della relatività, in cui negava l'esistenza del moto assoluto. Egli sosteneva che nessun oggetto dell'universo potesse rappresentare un sistema di riferimento fisso rispetto al resto dello spazio ma, al contrario, che qualunque corpo (ad esempio, il centro del sistema solare) potesse essere un buon sistema di riferimento rispetto al quale studiare il moto di un corpo. In parole semplici ciò significa che è equivalente affermare che un treno si allontana da una stazione o che la stazione si allontana dal treno.
Einstein elaborò inoltre una severa disamina del concetto di contemporaneità mettendo in dubbio, accanto al concetto di moto assoluto, la possibilità di definire un tempo assoluto.
Sulla base del risultato dell'esperimento di Michelson e Morley e delle precedenti considerazioni di Lorentz, egli suggerì inoltre che le trasformazioni galileiane dovessero essere sostituite con quelle di Lorentz. Queste ultime prevedono che la variabile temporale vari in due sistemi di riferimento in moto relativo rettilineo uniforme, e quindi che un orologio in moto relativo rispetto a un osservatore rallenti. Il principio di tempo assoluto della meccanica newtoniana fu sostituito dal principio di invarianza della velocità della luce dallo stato di moto dell'osservatore.
La scoperta dell'elettrone fornì poi la possibilità di verificare la correttezza delle trasformazioni di Lorentz; gli elettroni emessi dalle sostanze radioattive, infatti, hanno velocità prossime a quella della luce, tali cioè da far assumere al fattore beta valori apprezzabili. Gli esperimenti confermarono le predizioni di Einstein; la massa di un elettrone dotato di velocità prossime a quelle della luce risulta maggiore della massa a riposo, esattamente nella misura prevista. L'incremento della massa dell'elettrone era dovuto alla conversione dell'energia cinetica in massa, secondo la formula E=mc2 (vedi Atomo; Energia nucleare). La teoria di Einstein fu confermata anche mediante esperimenti sulla velocità della luce in corpi d'acqua in moto e sulle forze magnetiche in alcune sostanze.
L'ipotesi fondamentale su cui poggiava tutta la teoria einsteiniana era che per due osservatori in moto relativo uno rispetto all'altro a velocità costante valessero le stesse leggi della natura. L'abbandono del concetto di simultaneità comporta che due eventi registrati come simultanei da un osservatore non risultino tali rispetto a un secondo osservatore in moto rispetto al primo. In altre parole, non ha senso assegnare l'istante in cui avviene un evento senza definire un riferimento spaziale.
L'evoluzione di ogni particella o oggetto nell'universo viene descritta da una cosiddetta linea universale in uno spazio a quattro dimensioni (tre per lo spazio e la quarta per il tempo), detto spazio-tempo. La "distanza" o "intervallo" tra due eventi qualsiasi può essere accuratamente descritta per mezzo di una combinazione di intervalli di spazio e di tempo.
Teoria della relatività generale
Nel 1915 Einstein formulò la teoria della relatività generale, valida anche per sistemi in moto accelerato l'uno rispetto all'altro. La necessità di questa teoria era data dall'apparente contrasto esistente tra le leggi della relatività e quella della gravitazione. Per risolvere questi conflitti egli sviluppò un approccio completamente nuovo al concetto di gravità.
Nella nuova formulazione le forze associate alla gravità sono del tutto equivalenti a quelle apparentemente prodotte da un'accelerazione, per cui risulta teoricamente impossibile distinguere per via sperimentale i due tipi di forze. Questo concetto può essere chiarito con un celebre esempio. Supponiamo che un astronauta si trovi in un una navetta in moto verso l'alto, con un'accelerazione pari a quella esercitata dall'attrazione gravitazionale sulla superficie della Terra, in una zona dello spazio in cui non si manifestino effetti della forza di gravità; un corpo lasciato cadere dall'astronauta rimane fermo rispetto a un sistema di riferimento esterno alla navetta stessa (su di esso non agisce alcuna forza); tuttavia esso sarà ben presto raggiunto dal pavimento per effetto del suo moto accelerato. In queste condizioni l'osservatore vede il corpo cadere verso il basso esattamente come avverrebbe se fosse fermo in un campo gravitazionale; egli non è quindi in grado di distinguere la situazione reale da quella apparente, dovuta alla presenza dell'accelerazione.
In altre parole, la teoria della relatività speciale stabilisce che una persona, all'interno di una macchina che viaggi a velocità costante su una strada liscia, non può in alcun modo sapere se si trova in quiete o in moto rettilineo uniforme; la teoria della relatività generale afferma invece che una persona all'interno della macchina in moto accelerato, decelerato o curvilineo non può dire in alcun modo se le forze che determinano il moto siano di origine gravitazionale o se si tratti di forze di accelerazione attivate da altri meccanismi.
Come ulteriore esempio si consideri un astronauta in piedi in una navetta ferma sulla Terra. A causa della gravità i suoi piedi aderiscono al pavimento della navicella con una forza pari al peso della persona, w. Se si considera la stessa navicella nello spazio, lontana da qualunque oggetto e non soggetta in alcun modo alla gravità, l'astronauta aderisce ancora al pavimento, se la navicella accelera. Se l'accelerazione è pari a 9,8 m/sec2 (il valore di accelerazione di gravità sulla superficie della Terra), la forza con cui l'astronauta è ancorato al pavimento della navicella è ancora uguale a w. Senza guardare fuori dal finestrino, l'astronauta non è in grado di capire se la navicella si trovi ferma a terra o in accelerazione nello spazio.
Secondo la teoria di Einstein, la legge di gravitazione di Newton è un'ipotesi non necessaria; Einstein considera infatti tutte le forze, sia quelle gravitazionali sia quelle convenzionalmente associate all'accelerazione, come effetti di un'accelerazione. In questo modo la forza gravitazionale che fa sì che la navicella ferma a terra rimanga salda sul terreno è un fenomeno di attrazione attribuibile a un'accelerazione della navicella. Infatti nello spazio tridimensionale la navicella è ferma, perciò non accelera; nello spazio-tempo a quattro dimensioni, invece, essa è in moto lungo la sua linea universale.
L'ipotesi di Newton secondo cui due oggetti si attraggono con una forza di entità proporzionale al prodotto delle loro masse viene sostituita in relatività dall'ipotesi che lo spazio-tempo sia incurvato nelle vicinanze dei corpi massivi. La legge della gravitazione di Einstein consiste semplicemente nell'affermazione che la linea universale di un corpo è una geodetica nello spazio-tempo. (Si definisce geodetica la linea più corta che congiunge due punti dati; in uno spazio curvo le geodetiche generalmente non sono rette, ma linee curve). Vedi Geometria; Geometria non-euclidea; Navigazione: proiezioni di mappe e carte.
Conferme e modifiche
Come si è già avuto modo di dire, la descrizione classica e quella relativistica giungono generalmente a risultati identici, sebbene quest'ultima abbia una formulazione matematica assai complessa basata sull'applicazione dell'algebra tensoriale e della geometria di Riemann. La famosa affermazione secondo cui solo dieci persone al mondo avrebbero capito la teoria di Einstein allude proprio alla difficoltà dei concetti matematici che costituiscono il presupposto del formalismo della teoria.
La relatività ha trovato un gran numero di conferme sperimentali da quando è stata introdotta. Ad esempio, durante l'eclisse del 1919 è stata verificata la deflessione di un raggio di luce nelle immediate vicinanze del Sole, come previsto dalla teoria. Recentemente sono stati effettuati test analoghi per misurare la deflessione delle onde radio emesse da quasar lontani, mediante l'uso di interferometri a radiotelescopio. I risultati di questi test concordano entro un margine di errore dell'1% con le previsioni della relatività generale.
Un'altra conferma sperimentale viene dal moto del perielio (il punto in cui un pianeta passa più vicino al Sole) dell'orbita di Mercurio. Tale moto, che non trova spiegazione nell'ambito della fisica classica, è invece previsto dalla teoria della relatività e le recenti misure radar effettuate sono in ottimo accordo con le previsioni.
Un altro fenomeno prescritto dalla relatività generale è lo spostamento verso il rosso della lunghezza d'onda della radiazione emessa da oggetti posti in intensi campi gravitazionali; esso è stato più volte osservato mediante misurazioni astronomiche.
Osservazioni successive
Dopo il 1915 la teoria della relatività venne ampliata da Einstein stesso e ulteriormente sviluppata da scienziati come James Jeans, Arthur Eddington, Edward Arthur Milne, Willem de Sitter e Hermann Weyl. Gran parte del loro lavoro fu volto a estendere la teoria della relatività in modo da includere i fenomeni elettromagnetici.
I fisici hanno indagato anche sulle conseguenze cosmologiche della teoria della relatività. Entro lo schema degli assiomi posti da Einstein sono possibili molte linee di sviluppo. Ad esempio, si sa che lo spazio è curvo e si conosce l'esatto grado di curvatura nelle vicinanze dei corpi pesanti, ma non dello spazio vuoto, che pure è incurvato per effetto della materia e della radiazione contenuta nell'intero universo. Inoltre, gli scienziati sono discordi sulla questione se lo spazio sia chiuso (come una sfera), o aperto (come un cilindro con le basi poste all'infinito). La teoria della relatività implica poi la possibilità che l'universo sia in espansione, un'ipotesi che sembra confermata anche dai risultati sperimentali: ad esempio, le linee spettrali delle galassie, dei quasar e di altri oggetti distanti risultano spostate verso il rosso, proprio come ci si aspetterebbe da sorgenti di radiazione che si stanno allontanando. La teoria dell'universo in espansione lascia pensare che la storia passata dell'universo abbia un inizio, ma non esclude altre alternative possibili. Vedi Cosmologia.
Einstein avanzò l'ipotesi che grossi fenomeni perturbativi di natura gravitazionale, quali l'oscillazione o il collasso di stelle massive, generino onde gravitazionali, che si propagherebbero nello spazio-tempo alla velocità della luce. I tentativi di rivelare simili perturbazioni non hanno avuto fino a oggi i risultati sperati, ma sono attualmente in corso vari progetti di ricerca.
Molti dei successivi studi sulla relatività furono dedicati alla creazione di una meccanica quantistica relativistica. Una teoria relativistica per l'elettrone fu sviluppata nel 1928 dal matematico e fisico britannico Paul Dirac; in seguito venne avanzata una teoria quantistica dei campi, chiamata elettrodinamica quantistica, che sintetizza i concetti della relatività e della teoria quantistica per quanto riguarda le interazioni tra gli elettroni, i positroni e la radiazione elettromagnetica. Negli ultimi anni, il fisico britannico Stephen Hawking ha dedicato i suoi studi alla formulazione di una teoria completa, che unisca relatività e meccanica quantistica.
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