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Un astronauta si sveglia in un’astronave, senza memoria di come è arrivata lì. Seduta da sola su una sedia, si chiede: “Dove sono nell’universo?”

La nave non ha finestre. I suoi strumenti sono morti. L’unico indizio è la spinta della sedia contro il suo corpo. Uff, c’è gravità, lei pensa. La sua nave deve essere ancora sulla Terra.

Ma poi una seconda possibilità si verifica a lei. La nave potrebbe accelerare attraverso lo spazio, premendola sul sedile come una macchina da corsa che prende velocità. Dall’interno della nave, non c’è — terrificante-modo di dire.

Il dilemma di questo astronauta sarebbe stato familiare ad Albert Einstein. La sua teoria generale della relatività del 1915 si basava sulla nozione che la gravità e l’accelerazione non sono solo facilmente confuse, ma sono la stessa cosa. Questa equivalenza, “il pensiero più felice” della vita di Einstein, fu il suo punto di partenza per ridefinire la gravità.

La relatività generale è nata dalla teoria della relatività speciale di Einstein, che descrive come la velocità della luce (nel vuoto) può essere sempre costante.

Secondo la relatività, tutto ciò che può accadere all’interno di una scatola raccogliendo velocità — cioè accelerando — accade anche in presenza di gravità. Immaginate, ad esempio, un laser orizzontale all’interno di un ascensore che sta accelerando verso l’alto. Mentre la luce viaggia lateralmente, l’ascensore si alza, causando il raggio a colpire un punto sul muro leggermente più in basso rispetto a dove è iniziato. Se l’ascensore accelera abbastanza rapidamente, il raggio si piega visibilmente verso il pavimento.

Einstein ha mostrato che la stessa cosa accade a un raggio all’interno di un ascensore stazionario all’interno di un potente campo gravitazionale; la gravità piega la luce. Allo stesso modo, si aspettava che un raggio di luce stellare si piegasse quando passava attraverso la gravità del sole. Questa previsione si dimostrò corretta quando le stelle si spostarono durante l’eclissi solare del 1919.

La relatività descrive il motivo per cui un orologio su un satellite ticchetta alcune decine di microsecondi più velocemente di un orologio sulla Terra; senza tenere conto di questa discrepanza, le tecnologie GPS non funzionerebbero.

Per collegare accelerazione e gravità in questo modo, Einstein rovesciò uno dei suoi eroi: Isaac Newton. Potresti aver imparato che Newton ha descritto la gravità come una forza, un elastico invisibile che unisce gli oggetti con la massa. La matematica di Newton ha fatto un buon lavoro nel prevedere come tutto, dai proiettili ai pianeti, si muoveva, ma manteneva la gravità separata dall’accelerazione.

Einstein sosteneva che la gravità non è affatto una forza. Lo descrisse come una curvatura del tempo e dello spazio causata dalla massa e dall’energia. Confuso? Il fisico tedesco era, troppo, e ha lottato con la teoria per quasi un decennio. Ha ottenuto l’aiuto del matematico Marcel Grossmann, un vecchio amico che ha condiviso i suoi appunti quando un giovane Einstein saltato classe.

La loro matematica, stabilita in 10 equazioni, spiegava come la gravità potesse muoversi intorno agli oggetti attraverso una realtà deformata, accelerando senza mai sentire alcuna misteriosa forza newtoniana.

Una mela che non sente forza di solito rimane nello stesso posto (a sinistra). Ma quando la gravità curva lo spazio e il tempo (a destra), come predice la teoria generale della relatività di Einstein, il frutto finisce sul terreno senza sentire una forza. (Credit: Alison Mackey/Discover; Collage elements: Envato Elements, Vanatchanan/)

Le basi relative

I principali takeaway dietro la teoria generale della relatività di Einstein:

1. Il tempo e lo spazio non sono né piani né fissi; sono curvi e distorti dalla massa e dall’energia.

2. La gravità non è una forza, ma piuttosto una distorsione del tempo e dello spazio.

3. Gli effetti della gravità sono indistinguibili dagli effetti dell’accelerazione, su un piccolo spazio.

L’ispirazione di Einstein per la relatività generale ha colpito mentre era un impiegato di brevetto in Svizzera nel 1907. (Credit: Heritage Image Partnership Ltd / Alamy Stock Photo)

Le previsioni peculiari di Einstein

La relatività fa numerose previsioni bizzarre, molte delle quali verificate sperimentalmente. Sembrano bizzarri solo perché non li notiamo nella nostra vita quotidiana-viviamo, per la maggior parte, nella realtà di Newton. Ma al di là di ciò si trova l’universo di Einstein, dove la gravità piega lo spazio e il tempo alla sua volontà. Ecco alcuni degli effetti collaterali più strani della teoria:

• La gravità rallenta letteralmente il tempo. Le onde di luce emesse dalle stelle si allungano a causa di questa flessione del tempo e gli oggetti più vicini a un oggetto massiccio invecchiano più lentamente. Orologi super-precisi, che spuntano in base alle vibrazioni degli atomi, hanno verificato che la gravità altera il flusso del tempo.

• I satelliti hanno dimostrato che i corpi celesti rotanti ruotano il tessuto del cosmo attorno a se stessi, come il miele contorto da un cucchiaio, influenzando il movimento dei giroscopi.

• Una previsione risolse un dilemma di lunga data, una strana oscillazione nell’orbita di Mercurio che la matematica di Newton non poteva spiegare. (Gli astronomi avevano inizialmente accusato un pianeta nascosto chiamato Vulcano.) La relatività spiegava l’orbita traballante in termini di deformazione dello spazio da parte della potente gravità del sole.

• Piccole increspature in realtà, causate dalla collisione di buchi neri, hanno fatto scattare sensori in strumenti altamente sensibili sepolti sottoterra sulla Terra.

Questa storia è originariamente apparsa in stampa come “È tutto relativo.”