I limiti della relatività galileiana

Quando abbiamo trattato il principio della relatività galileiana abbiamo visto con quale legge si compongono le velocità, e abbiamo studiato il principio per cui in qualunque sistema di riferimento inerziale le leggi della Dinamica sono invarianti, ossia sono sempre uguali.

 

In altri termini il principio di Galileo stabilisce che, se due sistemi di riferimento si muovono l'uno di moto rettilineo uniforme rispetto all'altro, allora le leggi della Dinamica valgono allo stesso modo in entrambi i sistemi.

 

Quando abbiamo trattato i sistemi di riferimento non inerziali, ossia tali da muoversi di moto accelerato l'uno rispetto all'altro, ci siamo resi conto che le leggi della Dinamica sono molto diverse. Abbiamo quindi constatato matematicamente la comparsa delle forze apparenti, come la forza centrifuga e quella di Coriolis.

 

I limiti di validità della relatività galileiana

 

Nel corso dell'800 sono stati fatti grandi studi sull'elettromagnetismo e sono stati analizzati approfonditamente i fenomeni che coinvolgono l'elettricità, il magnetismo ed entrambe le cose. Un esempio è dato dalla propagazione delle onde elettromagnetiche, tra cui anche la luce, e dalle equazioni di Maxwell che hanno racchiuso tutta la teoria elettromagnetica in sole 4 equazioni.

 

Col progredire degli studi elettromagnetici sorse però un enorme problema: le leggi dell'elettromagnetismo non erano invarianti in tutti i sistemi di riferimento inerziali. Accadeva così una cosa strana: mentre le leggi della meccanica classica risultavano invarianti in sistemi inerziali, quelle dell'elettromagnetismo non lo erano.

 

 

Il problema

 

Fino alla fine del 1800 si credeva che la luce, essendo un'onda, avesse bisogno di un mezzo per propagarsi: questo mezzo veniva chiamato etere. Rispetto all'etere, il valore della velocità della luce risultava essere pari a circa 3·108 m/s.

 

Poiché la Terra era considerata in moto rispetto al mezzo denominato etere era naturale aspettarsi che la velocità della luce proveniente dal Sole si dovesse sommare (o sottrarre) con quella della Terra, secondo le leggi di composizione delle velocità di Galileo.

 

Contrariamente a quanto si supponeva, nel 1887 Michelson e Morley dimostrarono che ciò non era vero e che la velocità della luce era sempre la stessa, in barba alle leggi della relatività Galileiana. Era chiaro dunque che vi fosse una qualche incongruenza o più di un errore nella teoria di Galileo.

 

Come dirimere la questione? A differenza di altri, Albert Einstein riteneva che tale problema rappresentasse una difficoltà nella teoria fisica e che il principio di relatività dovesse essere valido anche per l'elettromagnetismo, così come per la meccanica classica. La relatività di Galileo andava pertanto rivista e corretta, e così fece pubblicando nel 1905 la sua Teoria della relatività ristretta (o speciale).

 

 

Non tutto è perduto!

 

La relatività ristretta introduce una nuova cinematica e una nuova dinamica rispetto a quelle newtoniane. La meccanica classica diventa così un caso limite, valido soltanto quando le velocità dei corpi sono molto inferiori alla velocità della luce nel vuoto. In questo caso la meccanica newtoniana è un'ottima approssimazione di quella relativistica.

 

È per questo motivo che nella nostra realtà quotidiana non osserviamo praticamente mai deviazioni dalle leggi di Newton: noi abbiamo sempre a che fare con velocità di gran lunga inferiori rispetto a quella della luce. La teoria di Newton e la relatività di Galileo falliscono però quando si studiano, ad esempio, particelle ad alta energia come i raggi cosmici o le particelle degli acceleratori, che si muovono a velocità prossime a quelle della luce.

 

 


 

Come avrete intuito le lezioni sui moti relativi terminano qui. Vi aspettiamo nel corso dedicato alla relatività ristretta, in cui studieremo approfonditamente come essa modifichi la meccanica classica. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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