LA RELATIVITA' GENERALE
Definizioni delle due relatività.
La relatività ristretta
La relatività generale
La massa determina la curvatura dello spazio-tempo, e la curvatura dello spazio-tempo determina il moto e le traiettorie della massa.Dettagli sulla relatività generale
Alla base della relatività generale risiede l'idea per cui, se è impossibile per la relatività ristretta distinguere tra due sistemi di riferimento inerziali, allora le leggi della fisica devono essere le stesse per tutti i sistemi di riferimento inerziali. Ma che cosa succede se il sistema di riferimento è accelerato? Einstein riteneva che tutti i sistemi di riferimento dovessero essere equivalenti per quanto riguarda la formulazione delle leggi fisiche. Questa affermazione rappresenta il principio di invarianza, alla base della teoria della relatività generale.
Per incorporare i sistemi di riferimento non inerziali, Einstein formulò il principio di equivalenza, che stabilisce che non è possibile distinguere tra i fenomeni osservati in un campo gravitazionale uniforme e quelli osservati in un sistema mobile con accelerazione costante. Al riguardo egli propose il noto esperimento dell'ascensore: un osservatore in moto in un ascensore in caduta libera in un campo gravitazionale uniforme sperimenta i medesimi effetti di un osservatore che si trovi su un ascensore posto nel vuoto ad accelerazione costante. Il principio di equivalenza di Einstein oltre che per le leggi della meccanica vale anche per tutte le leggi fisiche, compreso l'elettromagnetismo. Non solo la massa è soggetta alla curvatura dello spazio-tempo, ma anche la luce, la cui traiettoria può venire deflessa in corrispondenza di un campo gravitazionale.
Durante il 1919, un'eclissi totale di Sole permise ad alcuni scienziati di misurare la deflessione subita dalla luce delle stelle nel passare vicino al Sole, e la deflessione era in buon accordo con quella misurata teoricamente da Einstein. Questo episodio venne considerato la prima conferma della teoria generale della relatività.
Poiché la teoria della relatività generale può essere considerata una teoria della gravitazione, essa rappresenta lo strumento teorico ideale per la trattazione dei fenomeni astrofisici e cosmologici. Ed è appunto da queste discipline che vengono le conferme alla validità della teoria di Einstein. Una delle maggiori conferme alla teoria è considerata la spiegazione dell'avanzamento del perielio di Mercurio. Il perielio è il punto dell'orbita ellittica di un pianeta nel quale esso si trova più vicino al Sole; secondo le leggi della meccanica classica, il perielio di un pianeta si dovrebbe trovare sempre nello stesso punto. Considerando gli effetti di perturbazione sull'orbita, dovuti all'attrazione degli altri pianeti, si era pervenuti anche prima della teoria di Einstein a una correzione dell'avanzamento del perielio di Mercurio, che si discostava però ancora dalle misure di 43 secondi d'arco ogni secolo. Questa discrepanza trova la sua spiegazione solo attraverso la relatività generale, che prevede che la curvatura dello spazio dovuto alla massa del Sole produca esattamente questo avanzamento. Recenti misure del moto del pianeta hanno confermato l'esattezza delle previsioni sulle misure con uno scarto inferiore all'1%.
L'esistenza dei buchi neri è considerata un'altra conferma alla relatività generale. Un buco nero è un oggetto celeste di massa e densità talmente grandi che nessun altro oggetto, luce compresa, può sfuggire alla sua attrazione. Anche in questo caso la relatività può dare una spiegazione del fenomeno in termini di curvatura dello spazio-tempo, pensando che la massa del buco nero sia tanto grande da deformare totalmente, fino "a richiuderlo dietro di sé", lo spazio-tempo attorno a un oggetto con le caratteristiche di un buco nero.
Con che velocità si sta espandendo l’universo?
Nel 1929 Edwin Hubble scoprì che le galassie si stanno allontanando nel tempo, consentendo agli scienziati di risalire all’evoluzione dell’universo fino al Big Bang iniziale. Il valore della velocità con cui il cosmo si sta espandendo è detto costante di Hubble, che vale 67,15 km/s/Mpc Gli astronomi hanno misurato, con una certa approssimazione, la velocità di questa espansione, determinando il parametro di Hubble. Il valore inverso della costante di Hubble rappresenterebbe l'età dell'Universo (circa 13,8 miliardi di anni), se questo fosse fermo. La nozione che questa distanza sia banalmente pari a circa 13,82 miliardi di anni luce (4,3 gigaparsec) è erronea, poiché non tiene conto dell’espansione dell’universo che è intervenuta progressivamente, tra l’altro in costante accelerazione, fino a raggiungere la situazione in cui lo spazio si dilata più velocemente della luce.
Per limitare la confusione, solitamente si usa il termine parametro di Hubble al tempo t , indicato con H(t), mentre con costante di Hubble H0 si intende il valore attuale. Il problema, tuttavia, è che misurare la costante di Hubble è abbastanza difficile. Siccome gli osservatori impegnati in questa misura usano metodi diversi, allora stanno ottenendo risultati diversi.
L’evoluzione di H è dovuta agli effetti della gravità (la forza gravitazionale della materia presente nell’universo tende a rallentare l’espansione) e della cosiddetta energia oscura (dark energy), che invece tende ad accelerarla; la cosiddetta costante cosmologica sarebbe una forma particolare di energia oscura. Misure condotte in anni recenti (a partire dal 1999) sembrano indicare che l’espansione dell’universo stia in questo momento accelerando.
Sembra che il numero ottenuto in base all’apparizione dell’universo poco dopo il Big Bang sia significativamente più piccolo del numero ottenuto quando si osservano misure che coinvolgono gli oggetti più vicini.
Il primo parametro di Hubble dell’universo, derivato dalle osservazioni del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea, ci dice che l’universo ha circa 13,8 miliardi di anni. Nel frattempo però, le misurazioni effettuate sul cosmo locale darebbero un risultato che assegnerebbe all’universo un’età di quasi un miliardo di anni in meno. Se quell’età più piccola fosse corretta, bisognerebbe rivedere l’intera linea temporale della storia cosmica e falsare la nostra comprensione di quando e come sono accaduti i vari eventi principali nell’evoluzione dell’universo.
In sostanza dovremmo rivedere completamente il modello cosmologico standard.
Una volta nota l’età dell’universo e accettando l’assunzione che la velocità della luce sia costante, parrebbe che non sia possibile osservare oggetti più lontani dello spazio percorso dalla luce durante l’intera vita dell’universo. La nozione che questa distanza sia banalmente pari a circa 13,82 miliardi di anni luce (4,3 gigaparsec) è erronea, poiché non tiene conto dell’espansione dell’universo che è intervenuta progressivamente, tra l’altro in costante accelerazione, fino a raggiungere la situazione in cui lo spazio si dilata più velocemente della luce.
La distanza di Hubble, ricavata dalla costante di Hubble, posta a 16 miliardi di anni luce dall’osservazione, delimita la distanza oltre la quale leggi fisiche, spazio e tempo perdono significato e contatto causale, cioè non esisterà mai la possibilità di osservare o scambiare alcun segnale, interazione o informazione, che in pratica esce dalla realtà dell’osservatore.
Secondo la teoria della relatività generale la metrica spazio-tempo cambia con il tempo: oggi il metro cosmologico si sta restringendo, e di conseguenza la distanza tra le galassie sta crescendo; l'Universo si espande senza occupare alcun spazio esterno, che peraltro non esiste, essendo "Universo" l'insieme di tutto ciò che esiste.
Forse l’energia oscura, che pensiamo stia attualmente guidando l’accelerazione dell’espansione cosmica, ha giocato un ruolo molto prima di quanto la maggior parte dei cosmologi pensi. Forse ci sono particelle extra che erano importanti quando l’universo era più piccolo e più denso, ma la cui influenza si è diluita nel corso dei miliardi di anni.
