Lo spazio-tempo

Lo spazio-tempo ( o cronotopo ) è uno spazio a quattro dimensioni in cui si considerano le tre coordinate spaziali ( X, Y, Z ) insieme a una quarta coordinata temporale ( t ).

Cos'è lo spazio-tempo

Nella fisica classica il tempo e lo spazio erano considerate come due grandezze assolute e indipendenti tra loro.

Secondo gli scienziati del XIX secolo il tempo scorre per tutti in modo uguale. Non esiste un tempo più veloce o più lento.

la velocità del tempo nel luogo A

Allo stesso modo, si pensava allo spazio come una grandezza unica, indiscutibile e indipendente.

la visione comune dello spazio

Sia lo spazio che il tempo erano considerati slegati tra loro. Il tempo non influenzava lo spazio e viceversa.

Questa vecchia visione del tempo e dello spazio è sbagliata

Si tratta di una semplice visione dello spazio e del tempo. E' ancora oggi molto diffusa nel pensiero comune, perché è quello che vediamo quotidianamente intorno a noi... ma è una visione errata.

Ci dimentichiamo che ciò che vediamo sulla Terra è determinato dalle circostanze in cui ci troviamo.

il pianeta Terra

In altri sistemi di riferimento, in un altro pianeta o a bordo di un'astronave ad alta velocità, le cose sarebbero molto diverse.

In realtà, sia lo spazio che il tempo sono grandezze relative, possono variare e si influenzano a vicenda.

lo spazio-tempo muta a seconda delle circostanze

Si comincia così a parlare di spazio-tempo o cronotopo. In condizioni e luoghi diversi si presentano misure diverse dello spazio e del tempo.

il cronotopo A e B sono diversi

Sulla Terra non riusciamo a vedere gli effetti delle differenze nello spazio-tempo perché sono infinitesimali. Non sono facilmente percettibili. Non le vediamo ma ci sono.

Il concetto di cronotopo

Nella fisica relativistica di Albert Einstein si introduce per la prima volta il concetto di spazio tempo o cronotopo.

Lo spazio e il tempo sono considerate come un'unica grandezza. Cessano di essere due variabili distinte.

Un evento A e un evento B devono essere rappresentati su quattro coordinate ( X, Y, Z, T ) anziché le classiche tre dimensioni spaziali ( X, Y, Z ).

Un esempio pratico

Se nella vita quotidiana volessi misurare la grandezza di una scatola dovrei prendere le misure della larghezza ( X ), dell'altezza ( Y) e della profondità ( Z ). E' il classico diagramma cartesiano in tre dimensioni.

la misura di un oggetto in tre dimensioni

Non potrei mai misurare la scatola ragionando solo su due dimensioni ( XY ) come nelle fotografie. Sarebbe sbagliato e irrealistico.

non posso rappresentare un oggetto 3D in due dimensioni

Nella fisica relativistica vale lo stesso discorso. Bisogna ragionare su quattro dimensioni ( XYZ + tempo ) e non su tre dimensioni ( XYZ ).

Se ragionassi soltanto nelle coordinate spaziali classiche XYZ non riuscirei mai a rappresentare la realtà per quello che veramente è. Farei un errore.

Nota. Come esseri umani percepiamo il mondo in tre dimensioni. E' ciò che vediamo tutti i giorni intorno a noi. Tuttavia, non è detto che ciò sia corretto. Una formica vede la realtà in due dimensioni ma noi sappiamo bene che non è così.

Perché ragionare su quattro dimensioni

Il motivo è molto semplice, il tempo non scorre per tutti allo stesso modo ed è correlato allo spazio. Se il tempo varia, lo spazio si modifica, e viceversa.

Il tempo è relativo

Ad esempio, se un veicolo si sposta a velocità prossime alla luce, il suo tempo a bordo comincia a rallentare e lo spazio si contrae.

il tempo scorre in modo diverso nel veicolo in movimento a grande velocità

La velocità ha rallentato lo scorrere del tempo. In altre parole, il tempo è relativo perché dipende dal sistema di riferimento nel quale è misurato.

Esempio. Questo fenomeno naturale è misurabile. Lo osserviamo quando spediamo un orologio nell'orbita terrestre su uno dei satelliti geostazionari della rete GPS. L'orologio si sposta a una velocità inferiore rispetto a quella terrestre. Dopo un po' quell'orologio segna un'ora diversa rispetto alla Terra, va indietro di qualche frazione di secondo.

Anche lo spazio è relativo

Quando un veicolo si sposta a velocità prossime alla luce anche lo spazio si modifica. A causa della contrazione dello spazio, se osserviamo il veicolo in movimento dall'esterno lo vediamo più corto.

la velocità contrae lo spazio

Pertanto, sia il tempo che lo spazio sembrano essere influenzati dalla velocità del veicolo.

Possiamo quindi dire che lo spazio e il tempo sono collegati tra loro e possono modificarsi a seconda delle circostanze e del sistema di riferimento.

Per questo motivo la quarta dimensione ( il tempo ) non deve essere considerato come una grandezza indipendente dallo spazio, bensì come una coordinata indispensabile per misurare lo stato fisico.

lo spazio e il tempo come unica grandezza fisica

Questi fenomeni sono spiegati nella teoria della relatività ristretta ( o speciale ) di Albert Einstein del 1905.

Nota. Gli stessi fenomeni si verificano quando un oggetto si trova in un luogo in cui la forza di gravità è molto forte. Anche in questo caso il tempo rallenta e lo spazio si contrae. Questo fenomeno è, invece, spiegato con la teoria della relatività generale del 1915.


 
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  1. La teoria della relatività