Avvicinarsi alla velocità della luce farà passare il tempo in modo sensibilmente diverso per il viaggiatore rispetto alla persona che rimane in un quadro di riferimento costante. Ma né il paradosso dei gemelli né l'esperimento di Michelson-Morley hanno piantato i semi di Einstein per sviluppare la relatività. (TWIN PARADOX, VIA TWIN-PARADOX.COM)

La relatività non era il miracolo di Einstein; Stava aspettando in bella vista da 71 anni

La legge di induzione di Faraday fu stabilita nel 1834 ed era l'esperimento che portò Einstein a scoprire la relatività.

Quando pensiamo a Einstein e alla teoria della relatività, ogni sorta di leggende la circondano. Cosa lo ha spinto a concepire l'idea che non esistesse un etere o un mezzo attraverso il quale la luce attraversasse? Cosa lo ha portato all'idea che la velocità della luce fosse costante, immutabile per tutti gli osservatori, indipendentemente da come si muovessero l'uno rispetto all'altro?

Ci sono stati molti grandi progressi che la gente ama indicare. C'è stato l'esperimento di Michelson-Morley, che ha cercato il movimento attraverso l'etere e non ne ha rilevato nessuno. C'è stato il lavoro di Lorentz e Fitzgerald, che ha dimostrato che le lunghezze si sono contratte e il tempo si è dilatato quando ti sei avvicinato alla velocità della luce. E c'era il lavoro di Maxwell, che unificò l'elettricità con il magnetismo decenni prima.

Ma non era nessuno di questi. Secondo lo stesso Einstein, fu un esperimento della Faraday nel 1834. Era la legge dell'induzione elettromagnetica.

Dettaglio di una litografia di Michael Faraday che tiene una lezione di Natale alla Royal Institution, intorno al 1856. (ALEXANDER BLAIKLEY)

Michael Faraday era uno dei più grandi fisici del diciannovesimo secolo, ma era eccezionale in un modo che non apprezziamo spesso. Oggi, potremmo liquidarlo come un semplice armeggiatore, perché i suoi grandi successi non si basavano su equazioni o previsioni esplicitamente quantitative, ma piuttosto sui risultati rivelati dalle sue ingegnose configurazioni sperimentali.

In un momento in cui l'elettricità veniva sfruttata per la prima volta e le sue applicazioni erano ancora agli inizi, Faraday stava rivelando profonde verità sulla natura interconnessa dell'elettricità con il magnetismo.

Linee di campo magnetico, come illustrato da un magnete a barra: un dipolo magnetico, con un polo nord e un polo uniti insieme. Questi magneti permanenti rimangono magnetizzati anche dopo la rimozione di eventuali campi magnetici esterni. Non è stato realizzato che il magnetismo e l'elettricità sono stati collegati per secoli. (NEWTON HENRY BLACK, HARVEY N. DAVIS (1913) FISICA PRATICA)

Elettricità e magnetismo non sono sempre stati collegati tra loro. In effetti, erano originariamente trattati come fenomeni completamente indipendenti.

  • L'elettricità si basava sulla nozione di particelle cariche che potevano essere sia stazionarie (dove si attirerebbero o respingere) o in movimento (dove avrebbero creato correnti elettriche), con l'elettricità statica che era un esempio del primo e il fulmine era un esempio del quest'ultimo.
  • Il magnetismo è stato trattato come un fenomeno permanente, in cui alcuni minerali o metalli potevano essere magnetizzati in modo permanente e anche la Terra stessa era vista come un magnete permanente, consentendo l'orientamento tramite bussola.

Fu solo nel 1820, con l'esperimento di Oerstad, che iniziammo a capire che questi due fenomeni erano collegati.

Apparato scolastico per eseguire l'esperimento Øersted che dimostra che le correnti elettriche creano campi magnetici, eseguito per la prima volta il 21 aprile 1820 dallo scienziato danese Hans Christian Øersted. Consiste in un filo conduttore sospeso sopra un ago della bussola. Quando una corrente elettrica viene fatta passare attraverso il filo come mostrato, l'ago della bussola si devia ad angolo retto rispetto al filo. (AGUSTIN PRIVAT-DESCHANEL)

Se metti un ago della bussola accanto a un filo che trasportava una corrente elettrica attraverso di esso, scopriresti che l'ago della bussola deviava sempre per allinearsi perpendicolarmente al filo. In effetti, ciò era così poco previsto che la prima volta che è stato eseguito l'esperimento, l'ago è stato inizialmente impostato perpendicolarmente al filo e non è stato osservato alcun effetto. L'aspettativa era che l'ago si allineasse con la corrente elettrica, piuttosto che perpendicolare ad essa.

Buona cosa per gli armeggiatori, quindi, che pensavano di fare l'esperimento con l'ago già allineato con il filo e che erano in grado di osservare il primo legame tra elettricità e magnetismo. Il risultato di quell'esperimento ha dimostrato qualcosa di rivoluzionario: una corrente elettrica o cariche elettriche in movimento hanno generato un campo magnetico. Il prossimo passo, fatto da Faraday, sarebbe ancora più rivoluzionario.

Il concetto di induzione elettromagnetica, illustrato tramite un magnete a barra e un anello di filo. (RICHARD VAWTER DELL'UNIVERSITÀ DI WASHINGTON OCCIDENTALE)

Potresti aver sentito parlare della terza legge del moto di Newton: per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria. Se spingi contro un oggetto, l'oggetto ti respinge con una forza uguale e opposta. Se la Terra ti tira giù a causa della gravità, allora devi tirare la Terra su con una forza uguale e opposta, anche a causa della gravità.

Bene, se una carica elettrica in movimento all'interno di un filo può generare un campo magnetico, allora forse è vero lo stesso e l'opposto: forse generare un campo magnetico nel modo giusto può far muovere le cariche elettriche all'interno di un filo, creando una corrente elettrica? Faraday ha eseguito questo esperimento da solo, e ha stabilito che se cambiassi il campo magnetico all'interno di un anello di filo spostando un magnete permanente dentro o fuori di esso, per esempio genereresti una corrente elettrica nel circuito stesso.

Una delle prime applicazioni della legge di induzione di Faraday fu quella di notare che una bobina di filo, che avrebbe creato un campo magnetico all'interno, poteva magnetizzare un materiale, causando un cambiamento nel suo campo magnetico interno. Questo campo mutevole indurrebbe quindi una corrente nella bobina sull'altro lato del magnete, causando la deflessione dell'ago (a destra). Gli induttori moderni fanno ancora affidamento su questo stesso principio. (WIKIMEDIA COMMONS USER EVIATAR BACH)

Dopo aver armeggiato con la configurazione sperimentale in vari modi, è stato in grado di dimostrare come ciò ha funzionato in dettaglio.

  • Quando si modifica il campo magnetico all'interno di un anello o di una bobina di filo, si induce una corrente elettrica che si oppone alla variazione del campo.
  • Se metti un anello di ferro attorno a due anelli di filo e fai scorrere una corrente elettrica attraverso un anello, genereresti una corrente nell'altro anello.
  • Se ruotassi un disco di rame (conduttore) vicino a un magnete a barra con un cavo elettrico, potresti generare una corrente elettrica costante; questa è stata l'invenzione del primo generatore elettrico.
  • E se hai spostato una bobina di filo che trasporta corrente dentro o fuori l'interno di una bobina di filo senza corrente attraverso di essa, creerà una corrente elettrica nella bobina più grande.
Uno degli esperimenti del 1831 di Faraday che dimostrano l'induzione. La batteria a liquido (a destra) invia una corrente elettrica attraverso la piccola bobina (A). Quando viene spostato all'interno o all'esterno della bobina grande (B), il suo campo magnetico induce una tensione momentanea nella bobina, che viene rilevata dal galvanometro. (J. LAMBERT)

Questo divenne noto come la legge dell'induzione di Faraday, e fu ben compreso a questo livello nel 1834. Fu pensando a questo fenomeno che Einstein iniziò a scoprire il suo principio di relatività. Immagina le seguenti due configurazioni, che coinvolgono entrambe un magnete a barra e una bobina di filo:

  1. Hai una bobina fissa e fissa di filo e un magnete a barra che puoi spostare dentro o fuori dalla bobina di filo. Si sposta il magnete nella bobina a velocità costante e si osserva la corrente elettrica apparire nella bobina.
  2. Hai un magnete a barra fissa fisso e una bobina di filo che puoi spostare liberamente dentro o fuori dal magnete. Spostate la bobina sul magnete a velocità costante e osservate la corrente elettrica apparire nella bobina.

Se pensate a questi due scenari senza relatività, avrebbero implicazioni enormemente diverse per ciò che accadrebbe fisicamente.

Quando si sposta un magnete all'interno (o all'esterno) di un anello o di una bobina di filo, il campo cambia attorno al conduttore, causando una forza sulle particelle cariche e inducendo il loro movimento, creando una corrente. I fenomeni sono molto diversi se il magnete è fermo e la bobina viene spostata, ma le correnti generate sono le stesse. Questo era il punto di partenza per il principio di relatività. (OPENSTAXCOLLEGE SU OPENTEXTBC.CA, SOTTO CC-BY-4.0)

Quando si sposta il magnete in una bobina conduttiva fissa, il magnete vede sorgere un campo elettrico con una certa quantità di energia, e quel campo produce una corrente nel conduttore dipendente dall'energia del campo generato dal magnete. Ciò corrisponde al caso n. 1, sopra.

Ma se invece dovessi mantenere il magnete fermo e muovere il conduttore, non ci sarebbe alcun campo elettrico attorno al magnete. Quello che succede, invece, è che si ottiene una tensione (o forza elettromotrice) che si alza nel conduttore, che non ha affatto un'energia corrispondente inerente ad esso. Ciò corrisponde al caso n. 2 sopra.

Tuttavia, a livello sperimentale, entrambe queste configurazioni devono essere equivalenti. producono le stesse correnti elettriche della stessa grandezza e intensità nelle bobine del filo. Questa realizzazione, più di ogni altra, è ciò che ha portato Einstein al principio della relatività.

Un orologio-luce, formato da un fotone che rimbalza tra due specchi, definirà il tempo di ogni osservatore. Sebbene i due osservatori potrebbero non essere d'accordo l'uno con l'altro su quanto tempo passa, essi concorderanno sulle leggi della fisica e sulle costanti dell'Universo, come la velocità della luce. Quando la relatività viene applicata correttamente, le loro misurazioni si troveranno equivalenti tra loro. (JOHN D. NORTON)

Il principio riconosce innanzitutto che non esiste uno stato di riposo assoluto. La relatività impone che tutti gli osservatori, indipendentemente dalla velocità o dalla direzione in cui si stanno muovendo, vedranno le stesse leggi dell'elettricità e del magnetismo, nonché le stesse leggi della meccanica.

Quando parliamo di relatività oggi, discutiamo quasi sempre dell'esperimento Michelson-Morley, che ha dimostrato che la velocità della luce non è cambiata indipendentemente dal fatto che la orienti con il movimento della Terra (che è ad una velocità di 30 km / s, rispetto al Sole, ovvero circa lo 0,01% della velocità della luce) o in qualsiasi angolo arbitrario rispetto al movimento della Terra. Certo, ciò potrebbe renderci più chiari, come modo per spiegare perché la relatività deve avere senso, col senno di poi.

Ma questa era solo una preoccupazione secondaria, come affermato sia dallo stesso Einstein in letteratura che da Max Born, scrivendo su Einstein anni dopo.

L'interferometro di Michelson (in alto) ha mostrato uno spostamento trascurabile dei modelli di luce (in basso, solido) rispetto a quanto ci si aspettava se la relatività galileiana fosse vera (in basso, punteggiata). La velocità della luce era la stessa indipendentemente dalla direzione in cui l'interferometro era orientato, anche con, perpendicolarmente o contro il movimento della Terra attraverso lo spazio, inclinato rispetto allo spazio. (ALBERT A. MICHELSON (1881); A. A. MICHELSON ED E. MORLEY (1887))

Se l'Universo avesse un quadro di riferimento distinto da tutti gli altri, allora ci dovrebbero essere alcune misurazioni che potresti fare che ti hanno rivelato come le leggi della natura fossero diverse quando ti muovevi a una velocità particolare in una direzione particolare. Ma questo è in contrasto con l'Universo che abbiamo. Indipendentemente dalla velocità con cui ti muovi o dalla direzione in cui ti muovi, le leggi della fisica sono le stesse e qualsiasi esperimento fisico che puoi eseguire fornirà gli stessi risultati misurabili e genererà gli stessi fenomeni fisici.

Il modo in cui percepiamo questi fenomeni può variare a seconda del nostro quadro di riferimento, ma è prevedibile. Fu solo mettendo insieme tutti questi pezzi, insieme alla costanza della velocità della luce per tutti gli osservatori, che la relatività crebbe da un principio a una teoria a tutti gli effetti. Nel 1905, Einstein cambiò per sempre il modo di vedere l'Universo, ma i semi erano lì già nel 1834. La relatività non era un miracolo. I semi hanno impiegato solo 71 anni per germogliare correttamente.

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.