La teoria della relatività ristretta è stata sviluppata da Albert Einstein nel 1905 e fa parte delle basi della fisica moderna. Dopo aver terminato il suo lavoro sulla relatività speciale, Einstein trascorse un decennio a riflettere su cosa sarebbe successo se si con l’introduzione dell’accelerazione. Questo costituì la base della relatività generale, pubblicata nel 1915.
La velocità della luce, di poco inferiore a 300.000 km / s, è talmente maggiore di qualsiasi altra velocità verificabile nella vita di tutti i giorni che per tutti gli scopi pratici possiamo trattarla come infinitamente grande. Non è così in astronomia: la palla di fuoco di un lampo gamma si espande nel mezzo interstellare quasi alla velocità della luce. E il materiale nei getti dei quasar viene espulso quasi alla velocità della luce nello spazio.
Quando osserviamo fenomeni ad alta velocità di questo tipo, la velocità finita della luce influisce in modo drammatico su ciò che vediamo.
La velocità della luce non è solo un’alta velocità. La teoria della relatività speciale, esprime il suo carattere di velocità limitante: la velocità della luce è il limite di velocità cosmico che nessun oggetto materiale può raggiungere o superare.
A velocità vicine a questo limite di velocità, sono importanti gli effetti relativistici che sono incommensurabilmente piccoli alle velocità quotidiane. Quanto tempo passa tra due eventi, ad esempio, dipende da chi lo misura: due osservatori in moto relativo daranno risposte diverse. Lo stesso vale per le dimensioni di un oggetto: la sua lunghezza nella direzione del movimento è maggiore per un osservatore che si muove insieme all’oggetto; tutti gli altri osservatori per i quali l’oggetto è in movimento, trovano un valore inferiore.
Un’auto che è lunga 5 metri, ad esempio, e si muove a 100 km / h, è 2 x 10 -14metri più corta rispetto a quando è a riposo. Questa distanza è 10.000 volte inferiore alle dimensioni di un singolo atomo. Al 90 percento della velocità della luce, tuttavia, un veicolo di 5 metri misurerebbe 2,20 metri.
Quando un oggetto si avvicina alla velocità della luce, la sua massa diventa infinita e non è in grado di andare più veloce di quanto la luce viaggi. Questo limite di velocità cosmico è stato oggetto di molte discussioni in fisica e persino nella fantascienza, poiché si cerca di pensare ad un modo per viaggiare su grandi distanze.
Ciò diventa estremamente evidente a velocità che si avvicinano alla velocità della luce. Immagina un quindicenne che viaggi al 99,5 percento della velocità della luce per cinque anni (dal punto di vista dell’astronauta). Quando il 15enne tornerà sulla Terra, secondo la NASA, avrebbe solo 20 anni. I suoi compagni di classe, invece, avrebbero 65 anni.
Anche se questa dilatazione del tempo sembra molto teorica, ha anche applicazioni pratiche. Se nell’auto è presente un ricevitore GPS (Global Positioning Satellite), il ricevitore tenta di trovare segnali da almeno tre satelliti per coordinare la posizione. I satelliti GPS inviano segnali radio temporizzati che il ricevitore ascolta, triangolando (o più propriamente parlando, trilaterando) la propria posizione in base al tempo di percorrenza dei segnali.
La sfida è che gli orologi atomici sul GPS si muovono e quindi funzionerebbero più velocemente degli orologi atomici sulla Terra, creando problemi di temporizzazione. Quindi, secondo Richard Pogge, un astronomo della Ohio State University, gli ingegneri devono devono compensare questo gap di velocità per gli orologi installati sui satelliti.
Per gli orologi che si muovono nello spazio a bordo di satelliti, il tempo scorre velocemente, secondo Physics Central, perché i satelliti GPS sono sopra la Terra e subiscono una gravità più debole. Quindi, anche se i satelliti GPS si muovono e subiscono un rallentamento di sette microsecondi ogni giorno a causa del loro movimento, il risultato della gravità più debole fa sì che gli orologi ticchettino circa 45 microsecondi più velocemente di un orologio a terra. La somma dei due risultati fa sì che l’orologio satellitare GPS ticchetti più velocemente di un orologio da terra, di circa 38 microsecondi al giorno.
