Perché le cose cadono?

Perché le rocce di una montagna cadono a terra? Perché qualcosa cade? Bene, ci è stato detto che la colpa della forza di gravità inafferrabile. Quindi ce l'abbiamo, le cose cadono perché sono attratte dal centro della terra.

Beh, non proprio. Vedi cosa ho fatto lì? La soluzione apparente non era altro che una semplice trasposizione del problema precedente. Perché in primo luogo qualcosa dovrebbe essere attratto verso il centro della terra? Tranne che non lo sono.

Einstein formulò la sua teoria generale all'età di 36 anni

Benvenuti nel principio di relatività generale di Einstein. Le cose non cadono perché sono attratte da qualcosa, ma perché non lo sono.

Questo pensiero bizzarro, possibile solo con i tratti più selvaggi dell'immaginazione, che perplessa grandi menti fino ad oggi, è stato vividamente visualizzato da Einstein, una visualizzazione che lottiamo per creare ancora oggi.

In questo articolo, cercherò di spingere ulteriormente le nostre comprensioni, forse verso ciò che Einstein aveva sognato. Come ha detto una volta, “Qualsiasi sciocco può saperlo. Il punto è capire ”.

Spazio e tempo

Nel discutere la fisica, o qualsiasi scienza, è necessaria una concezione chiara e funzionante dei due ingredienti fondamentali dell'universo. La teoria della relatività speciale di Einstein, pubblicata circa 10 anni prima della relatività generale, era estremamente semplice, eppure rivoluzionaria. Perché? Perché ha completamente ribaltato i concetti di spazio e tempo.

Perdonate il contesto, che può sembrare noioso, ma assicuratevi che è cruciale per comprendere cos'è la gravità.

Lo spazio e il tempo, prima della relatività di Einstein, erano considerati assoluti. Implica che due orologi in movimento, che erano stati avviati contemporaneamente, avrebbero misurato le stesse lunghezze e tempi. In altre parole, ci sarebbe un completo accordo su quale distanza fosse percorsa e quanto tempo fosse passato.

Einstein ha dimostrato che questo concetto era sbagliato. Lo spazio e il tempo non sono assoluti, sono relativi. Ha incorporato la teoria di Minkowski dello spazio-tempo a 4 dimensioni nella sua teoria della relatività speciale. Lo spazio e il tempo non erano quindi più separati. Era lo spazio-tempo che esisteva. Qualsiasi cambiamento nel movimento di un oggetto nello spazio interferiva direttamente con la sua esperienza del tempo.

Non continuerò a spiegare la relatività speciale qui. Merita un articolo a sé stante. Ma il takeaway da qui è fondamentale per afferrare la gravità. Quindi, per ricapitolare, lo spazio e il tempo esistono come un continuum spazio-temporale, e non è assoluto, è relativo all'osservatore e al movimento osservato.

Linee, curve e diritte

Comprendere le linee rette è la chiave per la gravità. Cos'è una linea retta? Qual è la caratteristica distintiva di una linea retta che la separa dalle linee non rette? La domanda potrebbe sembrare sciocca e ovvia all'inizio, ma lascia che ti avverta, non lo è.

Immagina due linee rette parallele che non si incontrano mai. Ora immagina una linea curva. Sappiamo certamente che la linea retta è completamente diversa da quella curva, ma non sempre.

Un globo sferico

Osserva attentamente qualcosa di sferico, qualcosa di curvo, un globo per esempio. Prenditi un minuto e guarda la foto. Quali linee sembrano diritte? Le latitudini o le longitudini? Anche se le linee latitudinali possono sembrare diritte, non lo sono. Perché? Perché girano e le linee rette, per loro stessa definizione, non girano.

Quindi, le linee rette su un piano non sono esattamente le stesse su una sfera o su una superficie curva.

È importante creare questa distinzione mentale di linee rette su superfici di diversa geometria.

Tenendo presente l'osservazione precedente, proviamo a immaginare una linea retta su una superficie curva. Per semplicità, usiamo un cono come superficie curva. Tieni presente che la linea non dovrebbe mai girare. Hai una foto in testa? Molto probabilmente non l'hai fatto. Prendi piuttosto un pezzo di carta con una linea retta disegnata su di esso e piega la carta in un cono. Dovrebbe apparire più o meno come quello nella foto qui sotto.

Cono geodetica, fonte: Wolfram

Vedi adesso? Come appare la nostra linea retta ora? Avevamo una linea retta sul piano delle coordinate, ma sul cono non esiste una linea retta. Bene, la linea retta ovviamente è sul cono poiché tutto ciò che abbiamo fatto è stato semplicemente piegare la carta, ma una volta piegato in un cono, non assomiglia più a una linea retta.

Lascia che ti presenti Geodetica. Una linea retta su una superficie curva è geodetica. Ciò significa che qualsiasi linea retta quando tracciata su una superficie curva, rimane dritta ma non sembra diritta.

Geodetica spazio-temporale

Ora che comprendiamo il concetto di spazio-tempo e geodetica, comprendere la gravità è alla nostra portata. Iniziamo visualizzando alcuni grafici. Immagina un grafico dello spazio contro il tempo, proprio come il grafico nell'immagine sopra. Ora pensa a cosa rappresenta la linea retta sul grafico spazio-temporale. Rappresenta il movimento di un oggetto nel tempo. La linea rappresenta la somma di tutti i singoli eventi nello spazio e nel tempo.

Grafico spazio vs tempo

In questo grafico, lascia che la coordinata y rappresenti i cambiamenti nello spazio e la coordinata x rappresenti i cambiamenti nel tempo. Questo grafico funge quindi da diagramma spazio-temporale per un oggetto fermo.

Ora, cosa accadrebbe se prendessi questo grafico e lo piegassi in un cono?

Il risultato, come previsto, sarebbe estremamente simile alla nostra precedente osservazione dei coni.

Quindi, cosa implica questo?

Se guardiamo la linea sul cono, vediamo che gli eventi spazio-temporali sono stati modificati. Vediamo gradualmente cadere la linea. Un oggetto statico nello spazio-tempo piatto mantiene la sua posizione spaziale nel tempo, come si vede nel grafico spiegato. Ma come si vede sul grafico piegato in un cono, un oggetto statico nello spazio-tempo curvo cade nello spazio, nel tempo. Vedi il punto? L'oggetto e lo scenario sono gli stessi in entrambi i casi, tutto ciò che è cambiato è la geometria dello spazio-tempo, la sua forma, la sua curvatura. Quest'ultima osservazione è un sintomo di ciò che chiamiamo gravità.

Quindi, c'è la possibilità che la gravità non sia una forza misteriosa, ma solo un continuum spazio-temporale curvo. Questo spiegherebbe come e perché le cose cadono, senza supporre l'esistenza di alcuna forza, spinta o trazione.

Un oggetto, statico o in movimento, è apparentemente attratto da qualche altro oggetto non perché esiste una forza chiamata gravità, ma perché quegli oggetti semplicemente seguono la loro geodetica spazio-temporale. Linee rette nello spazio-tempo curvo.

Conclusione

Tutto ciò di cui ho discusso finora nell'articolo era solo un semplice esperimento mentale per Einstein. Questo gli fece capire che la mela cadde su Newton, non perché fosse trainata dalla terra, ma perché seguiva sempre il suo geodetico spazio-temporale.

Ciò solleva tuttavia un'altra domanda. Come e perché lo spazio è curvo? Einstein ebbe l'idea che la massa si piegasse nello spazio-tempo. Descritto probabilmente nell'equazione più elegante, conosciuta come l'equazione di campo.

Equazione di campo di Einstein

È così che è nata la Relatività Generale e ha superato ogni singolo test fino ad oggi. Einstein ha ridefinito correttamente la gravità, che per tutta la storia umana aveva sconcertato gli scienziati.

Renditi conto che nello spazio-tempo piatto le cose non sarebbero cadute, non ci sarebbe stato tempo. Ma a causa del sole e della terra e di tutto il resto dell'universo, lo spazio-tempo è curvo, dando origine a ciò che vediamo come gravità ed esperienza come il tempo.

La gravità non è una forza, è spazio-tempo.