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Principio di relatività

Il principio di relatività stabilisce che le leggi di una teoria fisica debbano essere valide in ogni sistema di riferimento omogeneo. È valido in generale in campo scientifico ed è stato applicato implicitamente, come nella meccanica classica, o in modo manifesto, come nella relatività speciale e generale. Il principio si differenzia dalla teoria della relatività, che su di esso si basa, e costituisce un assioma della fisica.

Se si trovasse un sistema di riferimento privilegiato, che invalidasse il principio di relatività, verrebbe compromesso il corpus di teorie fisiche fondamentali, non solo la relatività speciale e generale, ma anche, ad esempio, la fisica quantistica. Tuttavia alcune versioni della teoria delle stringhe possono ammettere un sistema di riferimento privilegiato, ma solo in una dimensione diversa dalle quattro dello spaziotempo.

Semplici principi di relativitàModifica

Alcuni principi di relatività, noti anche, con espressione più esplicativa, come principi di invarianza, sono presenti in molte discipline. I più importanti stabiliscono che ogni legge naturale sia immutabile nel tempo e sia indipendente dalla persona che la misura; questi principi costituiscono un importante fondamento della ricerca scientifica stessa.

Nella fisica teorica, per esempio, il teorema di Noether stabilisce che: "le leggi che governano le forze sono le stesse in ogni tempo e in ogni luogo, sono cioè invarianti per una traslazione spazio-temporale." Se la condizione temporale di questo principio è valida, allora vale anche il principio di conservazione dell'energia, mentre se è verificata la condizione spaziale, è valida la alla legge di conservazione della quantità di moto. Questo esempio dimostra come i principi di invarianza siano altamente efficaci per descrivere le leggi della natura, in quanto a ogni simmetria continua della fisica corrisponde una legge di conservazione.

Il principio speciale di relativitàModifica

Il principio speciale di relatività stabilisce che:

«Le leggi fisiche sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali.»

Ciò obbliga una qualsiasi legge fisica a non variare se applicata ad un corpo in moto a velocità costante o a un corpo fermo. Un'importante conseguenza è che un osservatore appartenente ad un sistema di riferimento inerziale non può associare una velocità assoluta o una direzione assoluta al proprio moto nello spazio, ma può solo considerare velocità e direzione relative ad altri corpi.

Tutto ciò non vale per i sistemi non inerziali, dal momento che questi ultimi non sembrano, almeno per l'esperienza quotidiana, prevedere le stesse leggi fisiche, infatti è sufficiente pensare che esistono interazioni apparenti, che vengono percepite se si subisce un'accelerazione o una decelerazione a causa del moto non uniforme del sistema di riferimento.

Questo principio viene utilizzato nella meccanica classica e nella relatività speciale.

Meccanica classicaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Relatività galileiana.

Il principio di relatività del movimento fu posto esplicitamente da Galileo Galilei nel 1639 nella sua opera Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo. Se formulato in questo contesto, il principio speciale di relatività stabilisce che:

«Le leggi fisiche sono invarianti rispetto alle trasformazioni di Galileo.»

La successiva elaborazione della meccanica classica contribuì poi all'integrazione del principio con ulteriori concetti fisici, tra i quali molto importanti risultano quelli di spazio e tempo assoluti.

Relatività ristrettaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Relatività ristretta.

Verso la fine del XIX secolo, Joseph Larmor e Hendrik Lorentz scoprirono che le equazioni di Maxwell, che rappresentano la base dell'elettromagnetismo, non erano invarianti per le trasformazioni di Galileo, ma lo erano per le trasformazioni di Lorentz. Ciò portò notevole sconcerto nella fisica, dal momento che una teoria che non rispetta le trasformazioni galileiane vìola anche la nozione di tempo e spazio assoluti. Molti fisici, compresi Larmor e Lorentz, sostituirono al principio di relatività galileiana il concetto di etere, ovvero un sistema di riferimento immobile che permetteva la propagazione delle onde elettromagnetiche.

Nel 1905 Albert Einstein, nel suo famoso articolo Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento, assunse il principio speciale di relatività come assioma e, scartando le nozioni di etere e spazio e tempo assoluti, sostituì alle trasformazioni di Galileo quelle di Lorentz, stabilendo l'invarianza delle leggi fisiche nei sistemi di riferimento inerziali e la costanza della velocità della luce nel vuoto per qualsiasi osservatore, indipendentemente dal suo moto rispetto alla sorgente, fatto già contemplato dalle equazioni di Maxwell, che prevedevano l'invarianza della velocità della luce nel vuoto.

Poincarè individuò l'insieme di trasformazioni che lasciano inalterata la geometria dello spaziotempo di Minkowski: queste trasformazioni sono comprese nella simmetria di Poincarè, e generano un omonimo gruppo di simmetria.

Il principio generale di relativitàModifica

Il principio generale di relatività stabilisce che:

«Le leggi fisiche sono le stesse per tutti i sistemi di riferimento.»

Solitamente, nel caso di sistemi di riferimento non inerziali, si effettua dapprima una trasformazione di coordinate, portandosi in un sistema di riferimento inerziale; si svolgono poi i calcoli necessari e si ritorna infine, con un'altra trasformazione di coordinate, al sistema di partenza. In molte situazioni, possono essere utilizzate le stesse leggi fisiche dei sistemi inerziali tenendo conto però della presenza di interazioni apparenti: un esempio è quello di un sistema di riferimento che si muove di moto circolare uniforme, che può essere considerato un sistema inerziale se si considerano le forze apparenti, quali la forza centrifuga e la forza di Coriolis.

La relatività generaleModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Relatività generale.

La relatività generale, sviluppata da Einstein negli anni tra il 1905 e il 1907[senza fonte], prevede che la covarianza di Lorentz globale presente nella teoria della relatività speciale divenga una covarianza di Lorentz locale. La materia infatti incurva lo spaziotempo e questa curvatura influenza le traiettorie dei corpi in movimento e dei raggi luminosi, che si muovono lungo le geodetiche. La relatività generale sfrutta la geometria differenziale e i tensori per descrivere la gravità come effetto della geometria dello spaziotempo. Einstein basò inoltre questa teoria sul principio generale di relatività, da cui l'aggettivo "generale" ad essa attribuito.

Voci correlateModifica

Collegamenti esterniModifica

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