Un'eclissi solare totale ha contribuito a consolidare la teoria della relatività di Einstein. Oggi utilizziamo gli stessi principi per apportare le incredibilmente piccole correzioni nella misurazione del tempo che permettono una localizzazione GPS accurata.
I sistemi satellitari di navigazione globale e i sistemi di localizzazione globale sono diventati parte integrante di tutto ciò che utilizziamo nella vita quotidiana – automobili, telefoni cellulari, localizzatori per animali, droni e così via. Tuttavia, il GPS è possibile solo grazie al lavoro di Einstein con la relatività generale – ma tutto il suo lavoro sarebbe stato inutile senza l'eclissi solare totale del 1919.
Einstein e lo spazio tempo
Einstein ha teorizzato che la massa non genera semplicemente una forza di gravità, ma deforma il tessuto teorico da lui chiamato spazio-tempo, più o meno come un peso deforma un tessuto elastico appoggiato in piano. Secondo Einstein, quello che noi interpretiamo come gravità è solo la deformazione dello spazio-tempo. Ma all'epoca non c'era un modo valido per dimostrarlo. Einstein poteva solo derivare teoricamente le equazioni di campo per stimare queste magnitudini di deformazione, causate da quantità specifiche di massa come il sole.
Una rivoluzione stellare
In realtà fu Sir Frank Watson Dyson, astronomo reale britannico, a concepire l'esperimento che avrebbe dimostrato l'esistenza dello spazio-tempo e gli effetti della massa su di esso. Einstein teorizzava che quando la luce di una stella attraversava il sole, la luce sarebbe stata piegata in modo sufficiente a far sì che noi sulla terra avremmo visto le stelle "dietro" al sole in una posizione diversa da quella reale. Ma Einstein non avrebbe mai potuto scattare una foto delle stelle dietro al sole perché è impossibile catturare la tenue luce delle stelle direttamente dietro al sole… a meno che, come proposto da Sir Frank Watson Dyson, non succeda durante un'eclissi solare totale! Eureka!
Fu necessario attendere il 29 maggio 1919, durante un'eclissi solare totale. L'eclissi fu visibile dall'Africa al Brasile, e Sir Dyson e Sir Arthur Eddington guidarono due spedizioni gemelle per ottenere la dimostrazione che cercavano. Le spedizioni erano dirette a Sobral, in Brasile e nell'isola africana di Principe. Furono scattate più di una dozzina di fotografie dell'eclissi solare tra le due località, e vennero tutte utilizzate per confermare la teoria di Einstein e le sue accurate previsioni.
Anche se all'occhio umano sembrano quasi identiche, le stelle che vediamo attorno al sole si trovano in un altro posto rispetto a quello che vediamo e interpretiamo qui sulla Terra. Questo fenomeno è ora chiamato lenti gravitazionali e per Einstein dimostrava la verità della sua più grande teoria. Nel mondo fisico di tutti i giorni, la gravità influisce direttamente sul tempo.
Dallo spazio tempo alla tecnologia satellitare
Da quando è stata dimostrata la teoria di Einstein, abbiamo continuato a verificare ripetutamente che la relatività generale è ovunque intorno a noi. La scienza moderna ha misurato in maniera così accurata la differenza di gravità e i suoi effetti sul tempo che se andiamo al laboratorio del National Institute of Standards and Technology e stiamo 33 cm sopra a un amico per 79 anni, invecchieremmo più rapidamente di lui di 90 miliardesimi di secondo. Tuttavia, per dimostrarlo utilizzano una coppia gemelli di orologi in alluminio. Einstein non li aveva, ma le ricerche hanno dimostrato ugualmente la sua teoria.
In ultima analisi, questo significa al giorno d'oggi che il tic degli orologi avviene a intervalli diversi se questi sono esposti a diverse grandezze di campo gravitazionale. Da quando i satelliti GPS volano a un altitudine di circa 20.000 km dalla superficie della terra, subiscono una forza gravitazionale molto diversa dalla nostra, e il tic è effettivamente più rapido rispetto agli orologi sulla terra… ma non di molto. Quando vennero lanciati nel 1977, gli orologi atomici al cesio a bordo dei satelliti GPS erano progettati perché il tic avvenisse 38 µs più lentamente degli orologi sulla Terra, in modo che il tempo fosse lo stesso una volta soggetto alla relatività generale. Questa incredibilmente piccola correzione del tempo, prevista da Einstein, è quella che permette ai piccoli moduli GPS pronti all'uso di dirti la tua posizione globale con una precisione di pochi centimetri.
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Fonti:
A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations made at the Total Eclipse of May 29, 1919: Sir F. W. Dyson. 6 novembre 1919.
Nist Pair of Aluminum Clocks Reveal Einstein’s Relativity at a Personal Scale. 23 settembre 2010.