Ma che c'entra Einstein con il GPS?

Cari ragazzi della classe 3a C (2011-2012) ho deciso di proporvi questo approfondimento perché, da quando è uscita la notizia della velocità superluminale dei neutrini, molto spesso ho ascoltato e letto che la teoria della relatività di Einstein sarebbe stata messa in discussione. Voglio invece farvi capire qui come funziona la scienza e come ogni teoria resta valida fino a prova contraria.
Iniziamo da lontano. All'inizio del '900 cominciò per la fisica un periodo veramente rivoluzionario. Einstein fu uno dei protagonisti e propose la sua teoria della relatività, prima quella ristretta e poi quella generale. Semplificando molto, quella ristretta riguarda un modo nuovo di vedere il moto dei corpi. Secondo questa nuova visione i concetti di spazio e di tempo non sono più separati. Non esiste più un tempo assoluto. Poco tempo fa abbiamo studiato che per descrivere il moto di un corpo bisogna considerare un sistema di riferimento, per capire rispetto a cosa e come si sta muovendo il corpo. Ebbene con Einstein anche il tempo non è più assoluto ma, diciamo così, ha bisogno anche questo di un sistema di riferimento. In particolare, secondo questa teoria, se un corpo si muove ad una velocità vicina a quella della luce (300000 km/s) accade qualcosa che per noi è molto difficile da capire, i tempi si dilatano e le lunghezze si contraggono.
Per i più curiosi consiglio di guardare questo video sul concetto di relatività di Einstein e di dare un'occhiata all' approfondimento: Einstein e il tempo.

Newton ha spiegato il moto dei pianeti intorno al Sole, Einstein ha perfezionato la teoria gravitazionale generalizzando quella di Newton.
Se verrà confermato che i neutrini superano la velocità della luce, ci sarà bisogno di un'altra grande mente per una teoria ancora più generale.

La teoria della relatività generale riguarda invece la gravitazione. Avete studiato la legge di Newton, che descrive la forza di gravitazione universale, e io vi ho detto che il moto dei pianeti intorno al Sole è descritto da questa legge. Ebbene la teoria di Newton, per quanto descriva bene il moto dei pianeti, non è esente da qualche problema. Einstein seppe trovare una soluzione a questi problemi e propose una teoria della gravitazione più generale. Per capirci, ciò che aveva detto Newton non era sbagliato, ma era un caso particolare di una teoria più generale che fu formulata proprio da Einstein. Questo è solo un esempio del modo di procedere della scienza. L'osservazione dei fenomeni naturali porta alla formulazione di ipotesi che vengono provate sperimentalmente. Se descrivono bene la realtà ovvero sono suffragate dai dati sperimentali vengono chiamate teorie. Ciò non significa che con altre osservazioni sperimentali e esaminando fenomeni naturali prima non considerati, queste teorie non possano essere ampliate e generalizzate. La teoria originaria non perde certo di validità.
Torniamo quindi a bomba! Il fatto che i neutrini possano andare più velocemente della luce non toglie affatto validità alle teorie di Einstein. Infatti sia la teoria ristretta che quella generale sono state verificate da numerose prove sperimentali. Semmai, se la notizia verrà confermata, sarà necessario che i fisici si interroghino sul significato di questo risultato e rivedano certi concetti magari formulando teorie più generali, nell'ambito delle quali quelle di Einstein diventino dei casi particolari.

L'equazione della relatività ristretta che utilizza il GPS per non sbagliare le indicazioni che ci fornisce.
(http://mag.wired.it/rivista/start/2011/09/14/come-il-gps-raddrizza-il-tempo.html)

Ci sono molti esempi che potrebbero essere fatti per dimostrarvi la validità delle teoria della relatività di Einstein, ma mi è casualmente capitato in mano un breve articolo ideale per farvi capire che tale teoria è utilizzata anche nella nostra vita quotidiana e funziona molto bene!!!
Nella figura soprastante è riportata la formula della dilatazione dei tempi della teoria della relatività ristretta. Senza questa formula i navigatori satellitari non funzionerebbero molto bene e quindi addio TomTom e ritorno alle vecchie care mappe stradali su carta!!! Vediamo perché.
Il sistema di navigazione satellitare funziona sfruttando le informazioni trasmesse da 24 satelliti che orbitano intorno al nostro pianeta ad una velocità di 14500 km/h. Il GPS registra l'ora esatta in cui riceve il segnale dai satelliti e calcola la propria posizione. Il sistema può funzionare efficacemente solo con una precisione dell'ordine del nanosecondo (cioè 10-9 secondi, 1 miliardesimo di secondo!). Ma nonostante i tempi vengano misurati con orologi atomici, un secondo sul satellite ha una durata diversa da quella di un secondo sulla Terra!!! Strano, vero? Tutto ciò è stato intuito e spiegato da Einstein nella sua teoria della relatività, secondo la quale l'orologio che viaggia a 14500 km/h appare "indietro" rispetto ad un dispositivo GPS, che, praticamente agli "occhi del satellite", è immobile. Il ritardo si può calcolare ed è di 39 microsecondi al giorno (39 milionesimi di secondo), sufficiente a stravolgere il funzionamento del GPS. Per fortuna nel GPS questo ritardo viene corretto. Come afferma l'autore nell'articolo, Einstein l'aveva detto che per andare da A a B seguendo un GPS bisogna raddrizzare il tempo! La teoria di Einstein ha trovato conferma in fenomeni astronomici fin dal 1919, ma sentircela raccontare per descrivere il funzionamento di un GPS, la rende molto più vicina alla nostra esperienza quotidiana.

Referenze
Articolo ripreso dalla rivista WIRED (by Julie Rehmeyer).

Le implicazioni della teoria di Einstein nel funzionamento del GPS sono riportate da diversi autori, anche se l'argomento è oggetto di dibattito.
Dal sito "NASA Science".
Tom Van Flandern, University of Maryland.
Richard W. Pogge, The Ohio State University.
Mario Haustein paper.
Neil Ashby paper.
Clifford M. Will commentary.
Il dibattito in un forum di esperti.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)