giovedì 22 gennaio 2015

Spazio/Tempo rivisitato.

Secondo la fisica classica il concetto di spazio è una qualità relativa alla posizione del mondo degli oggetti materiali, oppure lo spazio è inteso come contenitore degli oggetti materiali.
Lo spazio, senza un oggetto materiale, sarebbe dunque inconcepibile.
E' esperienza comune che ogni fenomeno fisico si svolge nello spazio e nel tempo, perciò spazio e tempo sono gli ingredienti fondamentali di ogni teoria fisica.
Da  ciò deriva il fatto che ogni legge fisica comporta esplicitamente o implicitamente delle relazioni spazio-temporali.
Secondo Newton lo spazio e il tempo sono quantità sensibili in relazione a cose sensibili.
Da questo postulato sono nati vari pregiudizi e il conseguente bisogno di distinguere le quantità in assolute e relative, vere e apparenti, matematiche ecc.
Il tempo assoluto vero, matematico, è per sua natura quello senza relazione a niente di esterno, scorre uniformemente, e viene definito durata.
I concetti di ora, giorno e anno sono le misure sensibili ed esterne della durata per mezzo del moto che nell'uso quotidiano vengono impegnate al posto del vero tempo.
Lo spazio assoluto, è per sua natura senza relazione ad alcunché di esterno, rimane sempre uguale ed immobile, lo spazio relativo è una misura o dimensione mobile dello spazio assoluto che i nostri sensi definiscono in relazione alla sua posizione rispetto ai corpi.
Tuttavia non è stato ancora misurato un movimento uniforme per mezzo del quale si possa misurare accuratamente il tempo.
Tutti i movimenti possono essere accelerati e ritardati, ma il flusso del tempo assoluto non può essere mutato.
Tutti questi concetti tuttavia rappresentano un metodo di misurazione appartenente alle definizioni newtoniane che attualmente sono abbastanza superate.
Il principio di inerzia, ad esempio, è la prima delle leggi della Dinamica di Newton; l’enunciato è il seguente:
“Ogni corpo non sottoposto a forze permane in stato di quiete o di moto rettilineo e uniforme fino a che il suo moto non venga modificato da qualche forza esterna”. Questa formulazione è manifestamente incompleta. Rispetto a chi o a che cosa un moto può definirsi rettilineo e uniforme?
Quando osserviamo o descriviamo il moto di un corpo (cioè, quando valutiamo la sua velocità e accelerazione) , lo facciamo in riferimento a qualche corpo o ambiente o anche rispetto a noi stessi.
Ad esempio, se studiamo le oscillazioni di un pendolo in un laboratorio, supponiamo il laboratorio e noi stessi fermi, e riferiamo il movimento del pendolo alla retta verticale passante per il punto di sospensione.
Così facendo trascuriamo il moto di rotazione terrestre, il moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole, ecc.
La descrizione che otteniamo è quindi relativa ad un osservatore dato, e sarebbe alquanto diversa se fosse riferita al centro della Terra o a qualche altro corpo dell'Universo.
Secondo Newton, esiste un sistema di riferimento privilegiato, ma non si tratta di un oggetto o sistema di corpi materiale e quindi identificabile mediante l’osservazione.
Il moto rispetto ai singoli corpi materiali (osservatori compresi) è sempre relativo, il sistema privilegiato è lo spazio stesso, e quindi un moto può dirsi rettilineo e uniforme (o, al contrario, accelerato) solo in riferimento allo spazio, che è “assoluto” in quanto indipendente da qualsiasi osservatore.
Eliminando la materia, lo spazio continuerebbe ad esistere
e ad essere sostanzialmente immodificabile. Tale spazio è definito da Newton come assoluto (cioè, indipendente dall'osservatore e dai corpi), vero (in quanto opposto agli spazi o ambienti cui, di fatto, facciamo generalmente riferimento, che sono ‘apparenti’) e matematico (in quanto la sua struttura è definita dalla Geometria euclidea l’unica considerata vera ai suoi tempi); così, si parla di spazio assoluto.
Secondo questa visione lo spazio assoluto rappresenta l’osservatore perfetto e giustifica l’esistenza della Fisica come sistema dotato di . Altrimenti, vi sarebbero tanti universi possibili quanti sono gli osservatori, e non sarebbe possibile concepire una teoria unitaria dell’Universo.
Se questo modo di concepire il problema è logicamente ineccepibile, esso comporta di per sé gravi difficoltà. La prima è ovvia:
la Fisica assume un carattere essenzialmente teoretico e ideale, infatti, le sue leggi non sono “vere” per tutti, ma solo da un punto di vista molto particolare quello
di chi si identifica con lo spazio assoluto. Nella misura in cui diventa certa (non relativa), diventa anche irreale (perché la realtà fenomenica è necessariamente relativa all'osservatore). La seconda rimanda al problema precedente: per rimediare a questo carattere di irrealtà, dobbiamo conoscere la nostra relazione con lo spazio. Se non risolviamo questo problema, anche qualora la Fisica esistesse come teoria unitaria, essa non sarebbe mai applicabile alla realtà fenomenica, o sarebbe
essenzialmente inconoscibile.
Quando si concettualizza, la relazione di un corpo o di un osservatore con lo spazio assoluto, s'intende una misura precisa ottenibile mediante le stesse procedure sperimentali eseguibili da qualsiasi osservatore in qualsiasi luogo, tempo, posizione, velocità e accelerazione.
Ora, la posizione assoluta di un corpo non può essere definita, sia per ragioni teoriche: lo spazio secondo Newton è indefinito e omogeneo e quindi non ha centro, tutti i luoghi nello spazio sono indistinguibili e perciò equivalenti. Il problema è ora la velocità. Si osserva che un dato corpo ha, rispetto a un dato osservatore, una velocità V ; qual è la sua velocità reale V ? Anche in questo caso, Newton (e non solo lui, ma pressoché tutti i fisici da Galileo in poi) risponde negativamente dicendo che non è possibile determinare sperimentalmente la velocità assoluta V un corpo (anche se nulla ci vieta di pensare che abbia un valore definito: ma Fisica si pretende che una grandezza sia sperimentalmente; la semplice ipotesi che abbia un valore definito non ha interesse,se non si può stabilire in qualche modo quale esso sia).
Nella teoria della relatività generale Einstein realizzò che spazio e tempo sono soltanto differenti aspetti di un singolo oggetto che egli chiamò spazio-tempo. Corpi di enormi dimensioni, come pianeti, possono deformare e distorcere lo spazio-tempo e la gravità, di cui noi abbiamo esperienza come forza di attrazione, che è infatti una conseguenza di questa deformazione.
Proprio come un peso posizionato su un tappeto elastico creerà una depressione in cui un vicino oggetto rotolerà, così un corpo di enormi dimensioni come un pianeta distorce lo spazio, attraendo gli oggetti vicini.
Per formulare gli assiomi che stanno alla base della relatività generale, Einstein si basò sull’analisi di alcuni esperimenti ideali avevano come fondamento il fatto che l’accelerazione di gravità dipende solo dalla distanza a cui ci troviamo da un pianeta e dalla sua massa gravitazionale.
Immaginando di trovarsi in un ascensore in caduta libera, dal momento che tutti i corpi interessati cadono con la stessa accelerazione g subiscono alcuni effetti particolari: infatti un osservatore posto al suo interno non percepirebbe più la pressione sulle piante dei piedi dovuta al proprio peso e non avvertirebbe più neanche il peso di un eventuale oggetto nelle sue mani; lasciandolo andare esso si librerebbe a mezz’aria senza spostarsi rispetto a lui.
La situazione risulterebbe del tutto simile a quella che si vive a bordo di una navicella in orbita intorno alla terra, dove la situazione è simile (tutti i corpi si muovono con la medesima velocità), oppure su di un’astronave che viaggi nello spazio profondo, a distanza enorme da ogni corpo
massivo, in modo tale che si possano considerare trascurabili le attrazioni gravitazionali che agiscono su di essa, sebbene in questo caso la situazione fisica sia molto diversa.
Esiste anche un fenomeno complementare a quello appena descritto: se l’astronave lontano da ogni corpo massivo inizia ad accelerare sotto la spinta dei propri motori, tutti i corpi presenti al suo interno (che tendono a conservare il proprio moto rettilineo uniforme per il principio di inerzia) si troveranno spinti verso il fondo. Risulta quindi possibile, se l’accelerazione dell’astronave è costante, creare al suo interno una forza-peso fittizia che permetta agli astronauti di poggiare i piedi sul pavimento.
Nessuno degli esperimenti precedenti, se compiuto in un locale chiuso, permette allo sperimentatore di capire se si trova in presenza di un campo gravitazionale o all’interno di un mezzo di trasporto che sta accelerando in modo costante.
Così Einstein formulò formulò il principio di equivalenza che stabilisce che, in una zona delimitata dello spazio-tempo, è sempre possibile scegliere un opportuno sistema di riferimento, in modo da simulare l’esistenza di un dato campo gravitazionale uniforme o, reciprocamente, in modo da eliminare l’effetto della forza di gravità costante.
Tutto ciò portò Einstein a porre alla base della sua teoria della gravitazione il principio di relatività generale, secondo il quale le leggi della fisica hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento.
Con questo principio Einstein non solo superò il primo assioma della relatività ristretta, ma anche quello sulla costanza della velocità della luce. Infatti in un sistema di riferimento inerziale la luce che proviene da una stella si propaga in linea retta, mantenendo la propria velocità costante in
direzione, verso e modulo. Invece in un sistema di riferimento accelerato bisogna comporre il moto della luce visto nel sistema inerziale con quello aggiuntivo (e accelerato) del primo riferimento rispetto al secondo. Di conseguenza la velocità della luce cambia in direzione, e la sua traiettoria appare incurvata.
 Per ogni spazio si può definire una proprietà intrinseca che si chiama curvatura.
Gli spazi con geometria ellittica hanno curvatura positiva, mentre quelli con geometria iperbolica hanno curvatura negativa. Nel complesso tali spazi si dicono curvi, mentre spazi come quello di Euclide o lo spazio-tempo di Minkowski hanno curvatura nulla e si dicono piatti.
Poiché la teoria della relatività ristretta non prende in considerazione l’attrazione gravitazionale tra le masse il suo spazio-tempo è piatto; nella relatività generale, invece, è importante conoscere la distribuzione delle masse nello spazio perché attraverso l’equazione di campo di Einstein si può calcolare qual è la geometria dello spazio.
In generale tale geometria varia da zona a zona: le parti di spazio-tempo più vicine alle masse hanno curvature più accentuate di quelle che si trovano lontane da esse.
In queste teorie la geometria dello spazio-tempo è determinata dalla distribuzione delle masse presenti in esso, se tale distribuzione viene modificata la geometria dello spazio-tempo cambia di conseguenza.
Questa variazione nella geometria non è istantanea in tutto l’Universo, ma si propaga alla velocità della luce c.
La propagazione della variazione della geometria dello spazio-tempo prende il nome di onda gravitazionale.
Quindi per capire bene cosa sia lo spazio-tempo dobbiamo iniziare a dare una risposta adeguata a fenomeni quali la gravità, e la massa.
La fisica infatti, non chiarisce bene che rapporto ci sia tra la massa e lo spazio e perché la massa deformi lo spazio e cosa sia veramente la gravità.
Così per dimostrare un postulato a volte non si è tenuto conto di esperimenti ripetibili che portavano dati incongruenti con la teoria effettiva, e quindi tali dati venivano scartati.
Dewey Larson come risposta alla teoria di unificazione della fisica, asserì che ogni dimensione di spazio avesse una diversa dimensione di tempo.
Larson ha rivelato una adeguata ed elegante teoria di campo unificato ricca di risultati pratici:
Invece di pensare a cinque dimensioni (come i fisici degli anni '70 hanno spesso fatto con la teoria Kaluza-Klein), Larson ha pensato a sei dimensioni e le ha definite propriamente come tre dimensioni di spazio e tre di tempo. Ha assunto che esista una coordinata tridimensionale analoga al nostro spazio tridimensionale osservato.
La teoria di Larson pone sei dimensioni invece che le normali quattro e dice che il campo puro, che secondo Einstein era la materia, si muove in direzione uscente da tutti i punti nello spazio a unica velocità o la velocità della luce”.
Oggi la fisica dei punti di campo ha la base per rivedere come il campo unificato si modifichi in compressioni diversificante che quando trovano la sezione aurea possono accelerare in quella comunemente conosciuta come gravità.
L'unica cosa che esiste è il campo unificato.
Se eventualmente si riesce ad accelerare una matrice di campo alla velocità della luce quindi tramite una rotazione da ipercubo è possibile muoversi nel tempo così come non ci muoviamo nello spazio.
Il tempo può essere visto come cicli d'onda di sezione aurea.