Spazio tempo: cos’è e come funziona, spiegazione semplice
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Possiamo parlare di spazio-tempo se siamo consapevoli che questa definizione è entrata a far parte del lessico di fisica e matematica, o comunque del lessico generale, da quando è nata la relatività ristretta e generale e quindi dalle intuizioni di Albert Einstein.
1. Definizione: cos’è lo spazio tempo
Andiamo direttamente alla definizione, ovvero, di che cosa significa o meglio che cosa rappresentiamo con spazio-tempo. Orbene con spazio-tempo identifichiamo, e quindi rappresentiamo, 4 dimensioni. Di queste 4 dimensioni, sono 3 dimensioni riferite allo spazio ( lunghezza, profondità e larghezza) e la quarta dimensione è il tempo.
Quando abbiamo questi quattro dati abbiamo definito lo spazio-tempo e questo concetto appunto di spazio-tempo ci serve per arrivare a mettere in relazione tutti i punti che compongono dell’universo.
Il primo ostacolo, o meglio la prima entità da assimilare per meglio comprende questo argomento è la valorizzare in maniera mirata della parola spazio. Lo spazio per accezione comune può indicare, facendo delle frasi esempio, le seguenti cose:
- …..dentro al cassetto vuoto c’è tanto spazio
- …..spostati più in la, c’è tanto spazio
- …..è stato lanciato un satellite nello spazio
bene tutte queste frasi le possiamo riconoscere come veritiere e corrette ma quando parliamo di spazio-tempo, alla parola spazio daremo il valore risultante alla semplice domanda dove si trova? Ad esempio, dove si trova un satellite?
La risposta a questa domanda sono, univocamente, le tre coordinate che ci servono per collocare il punto esatto. Questo punto rappresenta la posizione del satellite.
Quindi se prendiamo un oggetto qualsiasi, esso avrà una definizione di coordinate, ben precise e determinate, e quindi il suo spazio, ma aggiungendo una caratteristica che determina il momento in cui definiamo queste coordinate per trovare questo oggetto stiamo già parlando di spazio-tempo.
Per semplificare, se prendiamo un oggetto, ad esempio, un automobile che percorrere l’autostrada A1 potremo indicare che si trova a percorre il km 200 alle 11:20. Nella definizione spazio-tempo abbiamo che l’automobile si trova al Km 220 alle 11:20 e questo che abbiamo appena descritto viene indicato come EVENTO.
La domanda che ci possiamo porre potrebbe essere dove si trova la macchina alle 11:21. Se la macchina di trovasse ancora la km200 avremo un nuovo evento e in più una informazione che consiste nello scoprire che tra il primo e il secondo evento la macchina non si è mossa. La macchina è stata ferma.
Ad essere pignoli si potrebbe essere spostata in quel minuto, non so in qualsiasi direzione, per poi tornare nello stesso punto, dopo appunto un minuto. Questo esempio ci spiega che più siamo accurati nello studio del susseguirsi degli eventi e più informazioni avremo.
L’importante è capire che pur avendo le coordinate fisse abbiamo trovato un nuovo evento perché non sarà uguale il tempo e quindi la rappresentazioni è di certo cambiata.
1.1 Concetti di spazio-tempo
Abbiamo introdotto spazio-tempo ed abbiamo indicato che con Albert Einstein e l’arrivo della teoria della relatività (generale e ristretta) come sia cambiato in maniera radicale l’accezione per cui non si può più definire il tempo come assoluto.
Quindi mentre le grandezze definite nello spazio possono essere intese come posizione e per semplificare le possiamo identificare essere regolate dalla geometria con i tre assi cartesiani ovvero la geometria euclidea ma solo se non ci relazioniamo con gli altri astri dell’universo, perché nell’ingrandire la nostra osservazione ed andando al di fuori della nostra cara Terra.
La geometria in senso stretto applicata nell’universo, quindi le misure e le distanze dei punti risultano essere non realistiche. Dovremo necessariamente seguire le spiegazioni riportate nella teoria della relatività.
1.2 Sistema di riferimento
Il nostro intento è quello di spiegare il concetto di spazio-tempo senza utilizzare la matematica, ma utilizzando un ragionamento logico guidato dalle conoscenze della fisica che possa proporre un modello valido e concreto.
Per fare questo dobbiamo assolutamente fissare la definizione di punto di riferimento e soprattutto di sistema di riferimento. Senza questa definizione tutto potrebbe diventare labile e poco ed addirittura poco sensato.
Abbiamo parlato di evento e di posizione di una automobile, e con la definizione di sistema di riferimento vogliamo fissare il punto di osservazione di un evento e di conseguenza anche di una sequenza di eventi.
Facciamo qualche esempio. Per primo vorrei riporre quello che avevo sul libro di fisica quando era ragazzo ovvero l’esempio del treno. Abbiamo un signore seduto su una panchina all’interno di una stazione ferroviaria e dopo un po arriva un treno. Questo treno attraversa la stazione e il signore seduto sulla panchina lo vede passare ad un certa velocità, mettiamo 70 km all’ora. Mentre passa il treno, il signore sulla panchina, vede al suo interno un bambino seduto; anche lui sta viaggiando come il treno ad una velocità di 70 km all’ora.
Quindi se il sistema di osservazione è il signore seduto sulla panchina, si può dire che un bambino sta passando a 70 km all’ora dentro la stazione.
Di contro, se fossimo il bambino seduto sul treno ad un certo punto vedremo passare un signore seduto su una panchina ad una velocità di 70 km all’ora.
Si perché nel sistema di riferimento dentro il treno tutto quello che si osserva passa ad una certa velocità ed il bambino può definirsi fermo mentre per il sistema di riferimento del signore seduto nella panchina lui si può definire fermo ed il treno in movimento.
Con chiara e ben fissata questa definizione possiamo proseguire nella nostra esplorazione, visto che proprio da questa fondamenta si capisce la fisica. I sitemi di riferimenti sono capi saldi per dare l’interpretazione agli eventi e per razionalizzare eventi e realzioni tra li stessi.
1.3 La velocità della luce
Parliamo di esplorazione perché adesso dobbiamo allargare la nostra visione all’universo e per fare questo dobbiamo fissare un nuovo concetto che è la velocità della luce. La velocità della luce rappresenta il limite massimo di velocità appunto che possiamo avere nell’universo.
Per capirsi la lettera c nella famosa formula di Albert Einstein è proprio la velocità della luce per una curiosità sulle lettere che troviamo in tutte le formula di fisica la lettera c è la prima lettera della paola latina celeritas che significa appunto velocità.Una dimostrazione chiara di come la cultura non abbiamo confini. Con le misure sempre più sofisticate e tecnologicamente sempre più precise nel giro di un secolo possiamo, questa celeritas, assimilarla con 300.000 Km al secondo.
Abbiamo introdotto i sistemi di riferimento quindi ora possiamo introdurre anche l’intuizione di Galileo Galilei dovuto all’osservazione del movimento del nostro pianeta Terra.
Facciamo un’osservazione molto importante nel concetto spazio-tempo, che consiste nel prendere la visione di insieme del moto dei pianeti e dalla distanza tra gli stessi. La Terra e il Sole hanno un moto nello spazio e non mi dilungo su questo trattazione, ma mi soffermerei su quest’aspetto, alzando gli occhi al cielo possiamo vedere il sole.
Nel momento preciso in cui guardiamo il sole noi vediamo la luce che emana il Sole. La luce che vediamo,quindi, viene da sole, ma il sole è molto distante dalla terra, circa in media 150 milioni di Km. La luce emessa dal sole deve compiere questa distanza per arrivare ai nostri occhi e per fare questo tragitto impiega circa 8 minuti e mezzo.
Possiamo dire che nel nostro sistema di riferimento noi vediamo il sole in quel momento, ma il sole in effetti non è più in quella posizione perché si è già spostato nella sua traiettoria. Il Sole si sta muovendo.
Tutto nell’universo si muove e tutti seguono un percorso, una traiettoria ed ampliare lo spettro di questa spiegazione potrebbe veramente diventare complicato, ma proviamo a vedere tre punti di tre teorie, con l’aspettativa di avere più riferimenti concreti e di dare l’opportunità a chi vorrà di approfondire i vari aspetti.
1.4 Le teorie di Galileo Galilei e di Lorentz e spazio di Minkoski
Nel parlare di universo, abbiamo detto che tutto si muove e tutto è in movimento, abbiamo visto e definito i sistemi di riferimento, ma mano a mano che osserviamo l’universo ci possiamo spostare con i sistemi di riferimento ma vedremo sempre altri pianeti o altri oggetti muoversi.
Con le trasformazioni di Galileo Galilei e le trasformazioni di Lorentz abbiamo degli strumenti che ci permetto di idealizzare e quindi di capire meglio come interagiscono e come dobbiamo utilizzare il concetto di spazio-tempo.
In tal senso, se nell’universo avessimo solo due sistemi di riferimento e se conoscessimo la velocità di uno con le trasformazioni di Galileo e con determinate condizioni semplificate potremmo dire la posizione esatta nello spazio-tempo del secondo (sistema di riferimento).
Con le teorie di Lorentz è stato ampliato l’aspetto di osservazione e in concomitanza degli studi sull’elettromagnetismo e oltre che dalla legge della Meccanica, abbiamo modelli che con l’introduzione della costante della velocità della luce hanno portato alla teoria della relatività ristretta di Albert Einstein.
A meglio rappresentare il tutto ci ha pensato Minskoki che, possiamo dire, ha razionalizzato i diagrammi con le 4 dimensioni. Graficamente una riproduzione delle 4 dimensioni è stata resa possibile dal genio spiegando una relazione dove inserire una posizione e un tempo.
La posizione è dell’oggetto mentre il tempo è legato alla velocità della luce. In questo diagramma spazio-tempo di Minkowski, quindi quadridimenisonale, un oggetto che si muove di moto rettilineo uniforme avrà rappresentato sul diagramma una linea, ossia l’unione di tutti gli eventi dell’oggetto stesso. Questa linea è definita Linea dell’universo.
Dalla analisi di questo grafico, abbiamo la possibilità di fissare un concetto fondamentale che se la velocità è il limite massimo quella della luce in questo grafico, la bisettrice dell’origine si disegna a 45° , diventa la linea limite delle possibili linee dell’universo.
Un’altro concetto che emerge da questo grafico è che, se viene disegnata una linea orizzontale che incontra le linee dell’universo, abbiamo in realtà definito la linea di simultaneità, e cioè abbiamo individuato tutti gli eventi che si compiono nello stesso attimo.
Lo spazio-tempo di Minkoski non si ferma qui, ma ci ha dato anche il concetto di cono del tempo o di luce dandoci l’opportunità di fissare con un visione grafica dei termini più dibattuti dall’umanità e quindi presente, futuro e passato. Nella vastità di teorie e di modelli, segnaliamo un’ulteriore termine che si potrà meglio approfondire come universo parallelo o anche definito altrove.
Questi concetti fantastici e potenti da perderci il sonno coprattutto se ci addentriamo nella visione fantascentifica dei film che intedono farsi viaggiare nel tempo. la fisica non ci dice che possibile ma ci dice che c’è un modo per rappresentare gli eventi in maniera eccezionale come appunto il cono spazio-tempo di Minkoski.
1.5 Rivediamo La luce
Fissato che il limite è la velocità della luce, che non può essere superata ma che non può essere raggiunta per il fatto che servirebbe una accelerazione altissima. Si può asserire che non esiste modo per raggiungerla, perché occorrerebbe somministrare al corpo una quantità di energia infinita.
Ci addentriamo ora in ragionamenti sempre più entusiasmanti di queste teorie che vogliamo capire.
Proviamo con un esempio di una navicella spaziale che risulta viaggiare ad oltre 290.000 km al secondo, quindi molto prossima alla velocità della luce.
Se degli studiosi la seguissero lungo il suo percorso o meglio linea dell’universo o linea degli eventi per un periodo di tempo circa 1000 anni, per gli astronauti all’interno della navicella sarebbe passati solo 200 anni.
Da questo esempio, possiamo capire come il fascino di queste teorie si spingano in vertiginose supposizioni e calcoli matematici complessi perché, ulteriormente, se fosse possibile che la navicella aumentasse la propria velocità a circa 299.000 Km al secondo avremo che, i mille anni osservati, per gli astronauti sarebbero neanche due mesi. Questo divario di tempo osservato dagli astornauti aumentera man mano che ci avviciniamo al limite della velocità della luce.
Ora, se da una parte gli studiosi applicadosi sono consapevoli di questi numeri, dobbiamo capire che cosa succederà agli oggetti che potrebbero sottoporsi a queste altissime velocità.
Un corpo sarebbe sempre più ristretto all’aumentare della velocità e questo lo capiamo perché lo spazio si contrae. Con questa diretta intuizione e per seguire questa fisica bisogna aver la mente apertissima, quando ci addentriamo in queste teorie e la stessa cosa avviene per il tempo, ossia si dilata e si contrae a seconda dell’osservatore.
Un altro passo importante per costruire una conoscenza sullo spazio-tempo è quello di abbandonare, qualora ci fosse in noi, l’idea che il tempo sia un’entità futile ed immaginaria ma bensì dobbiamo concretizzarlo come oggettivamente realtà. Quindi in termini fisici il tempo accelerato esiste, come accorciato, ma non come sensazione che sia ben chiaro.
1.6 Einstein e la teoria della relatività
Abbiamo visto come dalle Trasformazioni di Galileo Galieli e di Lorentz siamo arrivati alla Relatività ristretta ma il fisico Einstein ha aggiunto un’altra importante analisi: l’osservatore, o meglio un sistema da solo, non può sapere se le forze che gli danno il moto o la quiete sono dovuti alla gravità o altri meccanismi.
È con questa ulteriore integrazione che si arriva a definire la relatività generale.
Quindi cercando di sviscerare lo spazio-tempo, si arriva a definire la gravità non più una forza ma bensì una proprietà.
Se, ad esempio, un asteroide va verso un pianeta, per quello che abbiamo appena asserito il corpo più con grande densità, in questo caso il pianeta, curva lo spaziotempo e l’asteroide che è più piccolo è attratto verso il pianeta. La rappresentazione più comune che troviamo è quella del piano elastico con le sfere.
Infatti se abbiamo un piano elastico e collochiamo una grossa sfera pesante e una palla più piccola e più leggera, osserveremo che il piano elastico si deformerà verso il basso maggiormente dove c’è la grossa sfera pesante. Bene questa deformazione porterà la palla più piccola a pendere e quindi a dirigersi in direzione dalla grossa sfera.
Grossa sfera e la piccola palla di troveranno alla fine nello stesso avvallamento del piano elastico. Vedremo che la deformazione dei due oggetti, ora insieme, sarà maggiore come maggiore sarà l’influenza che avrà sulla planarità del piano stesso.
Forse a questo punto ed a piccoli passi ben concentrati di una teoria immensa come la fisica possiamo dire di che cosa si tratta proprio immergendoci nel concetto spazio-tempo.
Facciamo un altro esempio, l’esempio della navicella spaziale.
Pensiamo di essere dentro una camera di questa navicella spaziale. Se prendiamo una penna e la lasciamo, la stessa cadrà a terra o meglio sul pavimento, mentre noi siamo con i piedi attaccati al pavimento.
Se questa navicella e quindi questa camera fosse lanciata nello spazio, In teoria tutto dovrebbe fluttuare all’interno della camera, ma se la navicella in cui si trova la camera viaggiasse accelerando in una direzione, anche senza quella che conosciamo come gravità, noi avremmo i piedi attaccati al pavimento.
Stessa sorte per la penna lasciata. Noi non ci saremo accorti della differenza delle due situazioni perché a nostri occhi l’effetto o il risultato è il medesimo.
Con la teoria di Newton due corpi o due oggetti avevano un‘attrazione tra loro proporzionale alle rispettive masse. da tutti conosciuta come attrazione gravitazionale.
L’importante accelerazione gravitazionale che che ci accompagna nei nostri studi primari, ma con Albert Einstein si stabilisce che due corpi o due oggetti sono sempre attratti tra loro ma con la spiegazione che l’oggetto più grande curvando lo spazio-tempo attira verso di sé il corpo con massa più piccola. Come abbiamo detto ed illustrato con la spiegazione dell’esempio del piano elastico con la sfera e la palla.
Avere quindi una curvatura nello spazio porta al rallentamento del tempo e alla influenza tra i corpi, ma qui la teoria francamente si complica un bel po’.
Spazio-tempo che fascino, che emozione, da oggi o meglio da questa lettura, da questo evento qualcosa di più appartiene al vostro bagaglio culturale per sempre.
