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Un risultato controintuitivo della teoria della relatività speciale di Einstein è stato finalmente verificato più di 65 anni dopo che era stato previsto.
Un risultato controintuitivo della teoria della relatività speciale di Einstein è stato finalmente verificato più di 65 anni dopo che era stato previsto.
La previsione afferma che gli oggetti che si muovono vicino alla velocità della luce appariranno ruotati a un osservatore esterno, e i fisici in Austria lo hanno ora osservato sperimentalmente utilizzando un laser e una fotocamera stop-motion ultraveloce.
Un postulato centrale della relatività speciale è che la velocità della luce è la stessa in tutti i sistemi di riferimento.
Un osservatore che vede un oggetto che viaggia vicino alla velocità della luce e fa misurazioni simultanee della sua parte anteriore e posteriore (nella direzione di marcia) scoprirà quindi che, poiché i fotoni provenienti da ciascuna estremità dell’oggetto viaggiano entrambi alla velocità della luce, l’oggetto è misurabilmente più corto di quanto sarebbe per un osservatore nel sistema di riferimento dell’oggetto. Questo è il fenomeno della contrazione di Lorentz.
Questa differenza di tempo allunga l’immagine, facendo apparire l’oggetto più lungo anche se la contrazione di Lorentz accorcia le sue misure.
Poiché l’allungamento e la contrazione si annullano, l’oggetto fotografato non sembrerà cambiare affatto lunghezza.
Ma non è tutta la storia. Affinché la cancellazione funzioni, i fotoni che raggiungono l’osservatore dalla parte dell’oggetto rivolta verso la sua direzione di viaggio devono essere stati emessi più tardi dei fotoni che provengono dal suo bordo d’uscita.
Questo perché i fotoni provenienti dai lati più lontani e posteriori provengono da parti dell’oggetto che normalmente sarebbero oscurate dai lati anteriore e vicino.
Tuttavia, poiché l’oggetto si muove nel tempo impiegato dai fotoni per propagarsi, crea un passaggio libero per i fotoni del bordo d’uscita per raggiungere la fotocamera.
L’effetto cumulativo, hanno dimostrato Terrell e Penrose, è che invece di sembrare contrarsi – come ci si aspetterebbe ingenuamente – un oggetto tridimensionale fotografato che viaggia quasi alla velocità della luce apparirà ruotato.
L’effetto Terrell in laboratorio
Mentre sono stati costruiti diversi modelli computerizzati per illustrare questa rotazione dell'”effetto Terrell”, è rimasto in gran parte un esperimento mentale.
Nel nuovo lavoro, tuttavia, Peter Schattschneider dell’Università Tecnica di Vienna e colleghi lo hanno realizzato in una configurazione sperimentale.
Per fare ciò, hanno puntato la luce laser pulsata su uno dei due oggetti in movimento: una sfera o un cubo. Gli impulsi laser sono stati sincronizzati con una fotocamera a picosecondi che ha raccolto la luce diffusa dall’oggetto.
I ricercatori hanno programmato la fotocamera per produrre una serie di immagini in ogni posizione dell’oggetto in movimento. Hanno quindi permesso all’oggetto di spostarsi nella posizione successiva e, quando il laser ha pulsato di nuovo, hanno registrato un’altra serie di immagini ultraveloci con la fotocamera.
Collegando insieme le immagini registrate dalla fotocamera in risposta a diversi impulsi laser, i ricercatori sono stati in grado di ridurre la velocità della luce a meno di 2 m/s.
Quando lo hanno fatto, hanno osservato che l’oggetto ruotava piuttosto che contrarsi, proprio come previsto da Terrell e Penrose.
Sebbene i loro risultati si discostino in qualche modo dalle previsioni teoriche, ciò non sorprende dato che le previsioni si basano su determinate ipotesi.
Uno di questi è che i raggi di luce in entrata dovrebbero essere paralleli all’osservatore, il che è vero solo se la distanza dall’oggetto all’osservatore è infinita.
Un altro è che ogni immagine dovrebbe essere registrata istantaneamente, mentre la velocità dell’otturatore delle fotocamere reali è inevitabilmente finita.
L’invisibilità della contrazione della lunghezza
Poiché la loro ricerca è in attesa di pubblicazione da parte di una rivista con una politica di embargo, Schattschneider e colleghi non sono stati disponibili per un commento.
Tuttavia, l’astrofisico dell’Università di Harvard Avi Loeb, che nel 2017 ha suggerito che l’effetto Terrell potrebbe avere applicazioni per misurare le masse degli esopianeti, è impressionato: “Quello che [i ricercatori] hanno fatto qui è un esperimento molto intelligente in cui hanno usato impulsi di luce molto brevi da un oggetto, poi hanno spostato l’oggetto, e poi hanno guardato di nuovo l’oggetto e poi hanno messo insieme queste istantanee in un film – e perché coinvolge diverse parti del corpo che riflettono in momenti diversi, sono stati in grado di ottenere esattamente l’effetto che Terrell e Penrose avevano immaginato”, afferma. Sebbene Loeb noti che non c’è “nulla di fondamentalmente nuovo” nell’opera, la definisce comunque “una bella conferma sperimentale”.
Immagine: Dominik Hornof et al., “A Snapshot of Relativistic Motion: Visualizing the Terrell Effect” 10.48550/arXiv.2409.04296, CC-BY 4.0
