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Capire la relatività speciale

Immagina una macchina che si muova a 50 km / ora. Quindi immagina un’altra macchina, l’auto B si muove nella stessa direzione a 60 km / ora. Poi l’autista nella macchina più lenta (l’auto A) guarda fuori dalla finestra della macchina B. L’auto B sembrerà muoversi in avanti a 10 km / ora! Questo è il tipo di fisica a cui siamo abituati. Puoi semplicemente aggiungere e sottrarre velocità e trovare la velocità relativa .

Ma le cose si complicano quando inizi a guardare la luce. La velocità della luce nel vuoto è di ben 299.792.458 km al secondo, ma per motivi di comodità, la chiamerò 300.000.000 km / s.

Quindi immagina un’astronave che possa viaggiare alla velocità di 295.000.000 km / s. (A proposito, il record di velocità per qualsiasi oggetto umano è di 70 km / s, quindi non siamo mai arrivati a questa velocità. L’astronave quindi correrà alla massima velocità nella stessa direzione di un raggio di luce. Quindi se assegniamo alla velocità della luce 300.000.000 km / s, a quale velocità si muoverà la luce rispetto alla nave? La fisica convenzionale dice 5.000 km / s.

Questo è sbagliato. Nel 1887, due fisici di nome Michelson e Morley condussero un esperimento che dimostra che la velocità della luce è uguale in tutte le direzioni, per tutti gli osservatori. In altre parole, quella astronave di prima? Vedrà il raggio di luce spostarsi in avanti a 300.000.000 km / s. La luce non accelera: un osservatore in piedi vedrà la luce muoversi alla stessa velocità. Sta succedendo qualcosa di molto strano.

Questo potrebbe generare un po ‘di confusione, quindi ecco una semplificazione. Anche se stai viaggiando a grandi velocità verso o contro, un raggio di luce si muoverà alla stessa velocità relativa rispetto te.

Comprensibilmente, questo è difficile da immaginare. L’intero mondo della fisica era ugualmente confuso. Finché un tizio chiamato Hendrik Lorentz si presentò e decise di estrapolare una formula.

Ha creato il fattore Lorentz, un numero che può essere utilizzato per ricalcolare tempo e distanza. E’ un po ‘così.

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Questa formula definisce il fattore di Lorentz, gamma , usando diverse variabili. Probabilmente conosci il numero 1. Probabilmente conosci anche la radice quadrata e la potenza di due. Che lascia v e c . V è la velocità di un oggetto rispetto a un osservatore. E c è la velocità della luce. E una volta che avremo la funzione di Lorentz, possiamo creare altre due formule.

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La formula top dice che quando ti avvicini alla velocità della luce, la lunghezza L si moltiplica per 1 diviso per il fattore di Lorentz. E mentre ti avvicini alla velocità della luce, il tempo t si moltiplica per il fattore di Lorentz. Quindi il tempo rallenta e le lunghezze diventano più corte.

Ora, quando ha pubblicato questi risultati, Lorentz ha dichiarato pubblicamente che non aveva idea del perché questi numeri funzionassero. Aveva appena creato una formula carina che consentiva alla fisica di riprendere: inserire i numeri in modo che tutto funzioni e fingere che non sia successo nulla. Fino a quando Einstein è arrivato.

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Albert Einstein e Maja

È così che la matematica funziona anche alla velocità della luce Ciò che Einstein ha detto è semplice, ed è stata la base per la teoria della relatività speciale.

Einstein disse che gli effetti che il fattore di Lorentz descriveva erano più che semplici modi per far funzionare la matematica. Einstein pensava che quando ti avvicinavi alla velocità della luce, queste cose accadevano davvero. E aveva ragione.

Quando vai veramente veloce, la velocità del tempo cambierà davvero. O che un viaggio in astronave potrebbe davvero renderti più magro! Di nuovo, questa è vera fisica. Il tempo e lo spazio stessi sono deformati alle alte velocità.

Ora un esempio. Abbiamo un’astronave che può viaggiare all’86,6% della velocità della luce ed è lunga 18 metri. Abbiamo un fienile lungo 10 metri con due porte aperte a ciascuna estremità, ma con la semplice pressione di un pulsante si chiuderanno e si apriranno immediatamente. Per ovvi motivi, il nostro razzo da 18 metri non si adatta a un fienile di 10 metri. Ma con l’aiuto di qualche relatività speciale, possiamo renderlo adatto. Completiamo l’equazione.

CodeCogsEqn (5)

Se v è 0.886 di c. Ciò significa che possiamo sostituire v e c

CodeCogsEqn (6)

E guarda! C’è un nella parte superiore e inferiore della frazione. E sappiamo tutti cosa significa! Possiamo cancellare il . Noi fisici viviamo per i piccoli piaceri della vita, come essere in grado di cancellare s. Quindi, in altre parole,

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E ciò può essere semplificato in:

CodeCogsEqn (9)

E poi, se saltiamo fuori un po ‘di matematica,

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Gamma – il fattore di Lorentz – è uguale a 2. Quindi possiamo agganciarlo nell’altra equazione, quella che trova le nuove lunghezze.

CodeCogsEqn (12)

Non è pazzesco! Accelerando la navicella fino all’86,6% della velocità della luce, si è dimezzata in lunghezza! Il che significa che può essere volato attraverso il fienile, le porte possono lampeggiare e per un breve periodo di tempo, abbiamo messo un razzo lungo 18 metri in un fienile lungo dieci metri. Ta-da.

C’è un’altra cosa da sottolineare. Queste equazioni si rompono una volta raggiunta la velocità della luce. Finisci per dover calcolare 1 / ∞ e la matematica non lo copre. Non puoi usare la relatività speciale per viaggiare indietro nel tempo. E c’è un’altra parte della teoria, quella che Einstein ha inventato. Si chiama relatività della simultaneità e in pratica dice che quando si viaggia vicino alla velocità della luce, lo spazio non si deforma. Il fronte dell’oggetto che viaggia a quella velocità verrà effettivamente spinto in avanti.

L’universo è strano, più strano di quanto possiamo immaginare e la fisica è forse l’unico modo in cui possiamo guardarlo in una luce chiara.

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