Effetto Terrell-Penrose: Ho Visto la Relatività Ruotare (e Non Schiacciarsi)!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una cosa che ha dell’incredibile, qualcosa che sembra uscito da un film di fantascienza ma che, finalmente, siamo riusciti a “fotografare” in laboratorio. Parliamo di come appaiono gli oggetti che sfrecciano a velocità vicine a quella della luce. Pronti a mettere in discussione quello che pensavate di sapere sulla relatività?

La Sorpresa della Relatività: Non Tutto è Come Sembra

Tutti abbiamo sentito parlare della famosa contrazione di Lorentz, uno degli effetti più noti della relatività ristretta di Einstein. L’idea è che un oggetto in movimento, visto da un osservatore fermo, appaia “schiacciato” nella direzione del moto. Più veloce va, più si schiaccia. Logico, no? Beh, non proprio, o almeno, non è quello che vedreste scattando una foto!

Nel lontano 1959, due fisici, Roger Penrose (sì, proprio *quel* Penrose, premio Nobel!) e James Terrell, arrivarono indipendentemente a una conclusione sconvolgente: in un’istantanea fotografica, un oggetto che si muove a velocità relativistiche non appare contratto. Invece, sembra… ruotato! Sembra pazzesco, vero? Una sfera, ad esempio, anche sfrecciando quasi alla velocità della luce, in una foto apparirebbe sempre come una sfera, magari vista da un’angolazione diversa.

Ma Perché Questa Stranezza? L’Inganno della Luce

Il trucco sta tutto nel modo in cui funziona una fotografia, specialmente un’istantanea ideale (con tempo di esposizione quasi zero). Per formare l’immagine, la luce proveniente da *tutti* i punti dell’oggetto deve arrivare alla fotocamera nello stesso preciso istante. Ma se l’oggetto si muove velocissimo, le cose si complicano.

Immaginate una sfera che ci sfreccia davanti da sinistra a destra. La luce dalla parte posteriore della sfera (più lontana da noi) deve partire *prima* rispetto alla luce dalla parte anteriore (più vicina) per arrivare insieme alla nostra fotocamera. Ma in quell’intervallo di tempo, la sfera si è spostata! Quindi, la fotocamera cattura la luce dalla parte posteriore quando la sfera era in una posizione leggermente diversa rispetto a quando ha catturato la luce dalla parte anteriore. Il risultato netto? L’oggetto appare allungato nella direzione del moto in un modo che, sorprendentemente, cancella *esattamente* la contrazione di Lorentz. L’effetto finale è quello di una rotazione apparente.

Questa idea, anche se supportata da solide basi teoriche e simulazioni affascinanti, non era mai stata verificata sperimentalmente. Fino ad ora.

L’Esperimento: Rallentare la Luce (Virtualmente)

Come si fa a fotografare qualcosa che si muove quasi alla velocità della luce? È praticamente impossibile nel mondo reale. Ma qui entra in gioco l’ingegno! Abbiamo usato una tecnica pazzesca che combina laser ultra-rapidi e fotografia ad altissima velocità.

Abbiamo preso:

• Un laser che spara impulsi brevissimi, nell’ordine dei picosecondi (millesimi di miliardesimi di secondo!).
• Una fotocamera speciale, detta “gated camera”, capace di scattare foto con tempi di esposizione incredibilmente brevi (fino a 300 picosecondi). Questa fotocamera può essere sincronizzata per “aprirsi” solo in un preciso istante dopo l’impulso laser.

Illuminando un oggetto con questi impulsi laser e scattando foto con la gated camera a intervalli di tempo (delay, Δt) leggermente diversi, possiamo “vedere” la luce propagarsi sull’oggetto fermo. È come fare una scansione temporale della riflessione della luce.

Il colpo di genio per simulare il movimento relativistico è stato questo: tra una “fetta” temporale (una foto scattata con un certo ritardo Δt) e la successiva, abbiamo spostato fisicamente l’oggetto della distanza che avrebbe percorso se si stesse muovendo a una certa frazione della velocità della luce (diciamo 0.8c, l’80% della velocità della luce) durante quel piccolo intervallo Δt.

In pratica, abbiamo “ingannato” la luce e la fotocamera, creando una sorta di moviola relativistica. Con questo trucco, siamo riusciti a ridurre virtualmente la velocità della luce nel nostro esperimento a meno di 2 metri al secondo! Roba da poterla quasi battere in bicicletta!

Abbiamo testato due oggetti:

• Una sfera (simulata a 0.999c, quasi la velocità della luce). Per simulare la contrazione di Lorentz *prima* dell’effetto Terrell-Penrose, abbiamo dovuto usare un modello quasi piatto, come un disco.
• Un cubo (simulato a 0.8c). Anche qui, abbiamo usato un modello già contratto lungo la direzione del moto (un parallelepipedo con rapporto 0.6).

I Risultati: Rotazioni Spaziali Confermate!

E cosa abbiamo visto componendo tutte queste “fette” di immagini? Esattamente quello che Penrose e Terrell avevano predetto!

La sfera, che nel modello di partenza era schiacciata quasi a diventare un disco (a causa della contrazione di Lorentz che abbiamo applicato artificialmente), nelle nostre “istantanee” sintetizzate appariva di nuovo perfettamente sferica, ma come se fosse stata ruotata! Potevamo persino vedere parti che normalmente sarebbero state “dietro” l’equatore.

Il cubo, partito come un parallelepipedo contratto, nelle foto finali appariva come un cubo regolare, ma chiaramente ruotato attorno a un asse verticale. C’erano alcune distorsioni interessanti dovute al fatto che la nostra sorgente luminosa non era perfettamente parallela (come nelle ipotesi ideali), ma l’effetto di rotazione era inequivocabile. Confrontando le immagini sperimentali con le simulazioni teoriche, la corrispondenza era impressionante.

In pratica, abbiamo visto che l’effetto Terrell-Penrose “annulla” visivamente la contrazione di Lorentz in una foto istantanea, trasformandola in una rotazione. È un po’ come se l’universo ci stesse giocando un tiro mancino visivo!

Perché è Importante? Oltre la Teoria

Questa è la prima volta che l’effetto Terrell-Penrose viene dimostrato sperimentalmente in laboratorio. È un passo avanti notevole perché ci permette di *visualizzare* un aspetto della relatività che finora era rimasto confinato alle equazioni e alle simulazioni al computer. Vedere è credere, no?

Questo esperimento non solo conferma le previsioni teoriche fatte più di 60 anni fa (e basate su idee ancora più vecchie, come quelle di Anton Lampa del 1924), ma apre anche nuove porte. Ci aiuta a costruire un’intuizione più profonda sulla meccanica relativistica e su come lo spazio, il tempo e la luce interagiscono a velocità estreme.

In futuro, potremmo persino estendere questa tecnica per visualizzare altri fenomeni relativistici “invisibili”, come il famoso esperimento mentale del treno che dimostra la costanza della velocità della luce. Immaginate di poter “vedere” questi concetti fondamentali in azione!

Insomma, la prossima volta che penserete a oggetti che sfrecciano nello spazio, ricordatevi: quello che vedreste in una foto potrebbe sorprendervi. Non un oggetto schiacciato, ma uno elegantemente ruotato. La relatività non smette mai di affascinare!

Fonte: Springer