Sistema inerziale?

Messaggioda Rob995 » 20/08/2015, 16:57

Ciao ragazzi, vorrei proporvi un esperimento mentale per cercare io, di comprendere più profondamente cosa sia effettivamente un osservatore inerziale. Mi sono immaginato uno spazio del tutto vuoto e privo di alcun punto di riferimento. Un vuoto assoluto. In questo vuoto assoluto ho calato un pianeta, che mi attrae verso di sé a causa dell'interazione gravitazionale che il mio corpo ha con esso. Come faccio a capire se sto ruotando rispetto ad esso, e che senso ha questa domanda? Mi spiego. Potrei dire: nel caso in cui io noti che non sto cadendo potrei pensare "mh perfetto, se non cado, o peggio mi allontano dalla superficie del pianeta allora vuol dire che sto ruotando, e anche ad una velocità piuttosto elevata". Ma che senso ha questo? Vi ricordo che lo spazio è privo di alcun riferimento e del tutto vuoto, come posso io dire che il pianeta ruota o non ruota su se stesso? Ruota rispetto a chi? Chiaro, ruota rispetto a me. E io ruoto rispetto a lui, rispetto alla sua superficie solida. Perciò il punto. Perché io sono in grado di distinguere il caso in cui io sono fermo rispetto alla superficie del pianeta, in cui cado, da quello in cui sono costretto a dire che ruoto insieme ad esso alla stessa velocità angolare? e questa costrizione sorge poiché noto che cado "piano", non cado o addirittura mi allontano. Perché sono in grado di farlo? Vedo sempre la superficie che non ruota rispetto a me, in entrambi i casi. E allora se l'unico osservatore in questo universo spoglio e privo di riferimenti sono io, come posso asserire che io stia ruotando o meno rispetto a quel pianeta, e sopratutto: ruotando rispetto a chi, a un sistema di riferimento assoluto?
Rob995
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda navigatore » 21/08/2015, 13:23

Ogni tanto si ripresenta, puntuale, il tormentone dello spazio e del tempo assoluti secondo Newton.

Newton aveva bisogno di creare lo scenario, nel quale dovevano muoversi gli attori, e cioè i corpi materiali, che dovevano interpretare la parte obbedendo alle sue leggi del moto. Quale migliore idea dunque, che definire lo spazio come un ente assoluto, dotato di una geometria la più semplice possibile, quelle euclidea, e che non fosse partecipe dei fenomeni che in essi hanno luogo? Di qui il concetto di "assoluto", attribuito sia allo spazio che al tempo, ma forse con significato diverso da quello che l'aggettivo suggerisce.
In effetti che senso ha parlare di "assoluto" in fisica? Nessuno, riflettendoci. Si possono pensare tanti esperimenti , per dimostrare l'assolutezza dello spazio, e Newton diede come esempio quello del secchio rotante. Secondo lui, il secchio ruotante e la forma che assume il liquido in esso è prova della assolutezza della rotazione, e quindi dello spazio. Anche in uno spazio vuoto di materia, dove c'è solo il secchio, la rotazione essendo assoluta fa assumere all'acqua quella forma.
Ci sarebbe giusto da obbiettare : ma se lo spazio è vuoto di materia, e quindi di campi gravitazionali, chi o che cosa mantiene l'acqua dentro il secchio, e non la fa uscire? In un riferimento inerziale, per esempio un riferimento in caduta libera come la Stazione spaziale internazionale, non si può versare acqua in un bicchiere. (La ISS è un riferimento inerziale "locale" , concetto sul quale mi sono espresso già molte volte).

Newton fu criticato e contrastato da Leibnitz , il suo eterno rivale, e in tempi più recenti da Mach. Secondo Mach, le forze inerziali che si manifestano in un riferimento rotante sono dovute all'interazione con la restante materia dell'universo.
Ma anche questo non regge. Come percepisce , una stella distante 1000 anni luce dalla Terra, che ho legato una pietra a un capo di spago e la sto facendo roteare? La perturbazione del campo gravitazionale della stella generata dalla pietra che ruota si propaga ad una velocità che non può superare la velocità della luce nel vuoto, non si propaga istantaneamente. Quindi ci vogliono 1000 anni…

La fisica è semplice solo localmente, diceva un gran fisico dei tempi moderni. E per me questo è giustissimo.

Si tratta comunque di esperimenti mentali, che secondo me non hanno molto senso.

Nel link seguente c'è una buona trattazione di base delle idee di Newton su spazio e tempo assoluti.

http://www.alessandraprofangelucci.it/a ... Newton.pdf

Molto tempo dopo Newton, vennero le riflessioni del 19° e del 20° secolo su spazio e tempo, e si capì che non ha significato parlare di queste entità come se fossero assolute. Ogni osservatore ha il suo spazio e il suo tempo (per dirla molto in breve) , questo insegna la Relatività.
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda Rob995 » 21/08/2015, 13:48

Grazie per il link. :) Ma, in tutta onestà, non mi sento soddisfatto dalla tua risposta. Ciò non esclude che sia una bella risposta, e che io ti ringrazi per avermela porta. :)
Rob995
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda navigatore » 21/08/2015, 14:53

Vuoi che risponda a qualcuna delle tue domande , per sentirti più soddisfatto, anche se non condivido certi esperimenti mentali, come ho già detto?

Be', se nell'universo del tutto vuoto di materia ci sei tu solo, non puoi dire se stai ruotando rispetto a qualcosa…..perchè questo qualcosa non c'è .
Ma tu potresti dire che avverti la forza centrifuga agire sulle tue braccia e sulle tue gambe , che tendono ad allargarsi….: be', questo è il punto di vista di Newton. LA rotazione per N. ha un significato assoluto, perciò dovresti sentire appunto la forza inerziale centrifuga, che dovrebbe farti capire che stai ruotando. Secondo N. stai ruotando rispetto allo spazio assoluto, che è lo scenario da lui pensato il quale non interagisce con gli attori. Anche l'esperimento mentale del secchio è per N. una chiara dimostrazione della esistenza dello spazio assoluto. Un corpo ruota perché ruota rispetto allo spazio assoluto, e accelera perché lo fa rispetto allo spazio assoluto.

MA come ho già detto N. fu criticato per questo e per altri motivi. Secondo Mach, le forze inerziali dipendono dalla interazione con le masse presenti nell'universo . Perciò, se ci sei solo tu a "ruotare" , non essendoci altri corpi in questo universo vuoto non dovresti avvertire, secondo Mach, alcuna forza centrifuga.

Ma in presenza di altre masse, che succede nella rotazione?

Secondo Newton, se si mettesse a girare tutto l'universo e tu rimanessi invece fermo rispetto allo spazio assoluto, non avvertiresti nessuna forza centrifuga. Secondo Mach invece si, è sufficiente la rotazione relativa per creare la forza centrifuga.

Chi ha ragione ? Nessuno lo sa. È un esperimento che non si può fare.

Ma una cosa si può dire : un corpo, posto nello spazio profondo, molto distante da tutti gli altri corpi sì da poter ritenere trascurabili (se non proprio nulli!) le interazioni gravitazionali con la materia restante, se posto in rotazione registra le forze centrifughe. Perciò, potrebbe aver ragione Newton .

In realtà, le cose stanno in una maniera diversa. E precisamente bisogna tirare in ballo la Relatività generale e capire che le "forze apparenti" , così come le "forze gravitazionali" , non sono altro che manifestazioni della distorsione dello spaziotempo (altrimenti detta "curvatura") dovute alla presenza di massa-energia. Da questo punto di vista, inerzia e gravitazione sono due facce della stessa medaglia. E le forze semplicemente non esistono.
Anche la gravitazione (il volgare peso !) è dunque una forza apparente, alla faccia della fisica classica che considera "fittizie" le forze inerziali che compaiono nei riferimenti non inerziali, e considera "reali" le forze nucleari , le elettromagnetiche, e la forza peso.
LA física moderna ritiene che anche la forza peso si possa considerare una forza fittizia. E in effetti, si comporta alla stessa maniera, a pensarci bene. Se vuoi, continuo su questo argomento.

E se nello spazio che tu hai ipotizzato ci siete tu e il pianeta ? Ognuno dei due può dire che ruota rispetto all'altro, oppure è in caduta rispetto all'altro, oppure nessuna delle due. Il moto è relativo .

Altro non so aggiungere. Ti consiglio di leggere "La trama del cosmo" di Brian Greene, dove nei capitoli iniziali si parla di questo.
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda Rob995 » 21/08/2015, 15:39

In che senso nessuno lo sa? Se fosse così non ce lo vedi un enorme problema concettuale di base? È davvero un grosso problema. Ho sentito parlare dell'ipotesi di Mach, ma così vagamente che non ne ho compreso il significato. Certo, se non esiste una soluzione a questo problema, mi sa che devo buttare tutte le mie conoscenze di fisica. Però mi rendo conto che ho parlato di interazioni gravitazionali e Mach tira in ballo la gravità, e ovviamente se io fossi un grosso magnete in orbita attorno ad una magnetar, la risposta non cambierebbe.. Veramente non so cosa dire, se la risposta è questa, che una risposta non c'è, mi sento spiazzato, e mi chiedo perché nessuno non me ne abbia mai parlato prima..
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda navigatore » 21/08/2015, 16:28

Nessuno lo sa, perché l'esperimento non è fattibile. Certo che è un problema di base, ma d'altronde non è l'unico. Ci dobbiamo accontentare di sapere ciò che sappiamo, al riguardo.
Va già bene che dopo Newton e Mach è arrivato Einstein il quale ci ha dato qualche spiegazione in più, ma ad un prezzo assai caro: sconvolgere la meccanica newtoniana, alla quale siamo così affezionati, che tuttavia va ancora benissimo per descrivere il mondo quando le velocità sono piccole a confronto della velocità della luce.
Non sentirti spiazzato, piuttosto sentiti incuriosito, e affronta le questioni. Leggi, studia, ricerca….è il modo migliore per capire, no ? anche se nessuno te ne ha mai parlato, il che è una buona ragione per approfondire…

Comincia magari dal libro che ti ho suggerito. MA ce ne sono molti altri, ottimi, in giro. Fidati però solo di autori rinomati.

Ciao.
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda Rob995 » 21/08/2015, 17:32

Dobbiamo accontentarci, ammesso che si tratti di vero sapere.. In verità non credo sappiamo, nel suo significato più alto, cosa siano lo spazio, il tempo, i campi. Però mi ha colpito il non poter sapere neanche che cosa sia effettivamente un osservatore inerziale. Grazie per le risposte e il consiglio.
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda Spremiagrumi » 21/08/2015, 17:41

Qua è spiegato molto bene l'idea di Mach, riprende l'esempio di Newton che ha citato navigatore dai due punti di vista.
http://www.giuseppevatinno.it/wordpress/?p=1483

Il problema è trattato in modo abbastanza dettagliato (anche se spezzettato nei vari capitoli) nel libro di Waimberg Gravitation and Cosmology che si trova in pdf. Ci sono anche le parole originali di Newton e Mach
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda Rob995 » 21/08/2015, 18:38

Grazie!
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Re: Sistema inerziale?

Messaggioda navigatore » 21/08/2015, 22:29

Innanzitutto ringrazio anch'io l'amico Spremiagrumi, che so essere appassionato studioso della Relatività, per il link all'articolo di Vatinno, che contiene a sua volta un link ad un interessante articolo di Lanczos, il quale fu collaboratore di Einstein a Princeton per un certo tempo.

Poi aggiungo qualcosa per Rob995, il quale ha scritto questo, con un tono forse un po' sconsolato :

Rob995 ha scritto:Dobbiamo accontentarci, ammesso che si tratti di vero sapere.. In verità non credo sappiamo, nel suo significato più alto, cosa siano lo spazio, il tempo, i campi. Però mi ha colpito il non poter sapere neanche che cosa sia effettivamente un osservatore inerziale. Grazie per le risposte e il consiglio.


In ogni caso, è sicuramente un bell'accontentarsi ! È vera scienza questa, sta tranquillo. Tutta la meccanica newtoniana , e ciò che ne consegue, è alta scienza, che noi ci sforziamo di capire e mettere in pratica quando serve.

In quanto al conoscere il significato più alto di spazio, tempo, campi….ci hanno ragionato e ci ragionano da secoli molte menti illustri, e mai come oggi la ricerca più avanzata (di cui poca eco arriva a noi, che talvolta non abbiamo un livello di preparazione adeguata, se non tramite qualche articolo scientifico e qualche buon libro di alta divulgazione : parlo per me ovviamente , chi è più specializzato ha meno problemi) sta lavorando sui concetti fondamentali dello spazio e del tempo.

Ma non è giusto dire che non possiamo sapere neanche che cosa sia un osservatore inerziale (meglio : un riferimento inerziale) . Questo lo sappiamo, e ne abbiamo anche degli esempi.

Per definizione classica , un riferimento inerziale è un riferimento nel quale vale il principio di inerzia : un corpo non soggetto a forze continua a rimanere in quiete o in moto rettilineo uniforme, fin quando non interviene una forza a modificare questo stato.
Data la definizione, si possono fare delle scelte. Per esempio, per fenomeni fisici di breve durata che avvengono in un laboratorio terrestre o comunque a terra o in sua prossimità , si può assumere che un riferimento con origine terrestre e assi permanentemente puntati verso le stelle cosiddette fisse sia inerziale . MA qui ora bisogna ricordarsi che è sempre presente la forza di gravità in questo riferimento, che quindi non si può trascurare. Se si vuole prescindere dalla gravità, bisogna neutralizzarla in qualche modo, di solito con un vincolo.

Però si possono scegliere riferimenti inerziali diversi. Ci viene in aiuto il Principio di Equivalenza di Einstein:

In un punto qualsiasi dello spaziotempo, si può assumere un riferimento "locale" che sia in "caduta libera" nel campo gravitazionale ivi esistente. Tale riferimento in caduta libera è un "riferimento inerziale locale" . In tale riferimento , le leggi della fisica sono quelle della relatività ristretta.
L'aggettivo "locale" ha una sua precisa ragion d'essere : la località è richiesta (nello spazio e nel tempo) per ridurre al minimo ovvero cancellare i cosiddetti effetti di marea , derivanti da disomogeneità nel campo gravitazionale.

Einstein parlava di ascensori in caduta libera, poiché tutto ciò che cade con l'ascensore è senza peso rispetto all'ascensore stesso . Oggi basta guardare ad una navicella spaziale in orbita attorno alla Terrra . LA navicella è in caduta libera nel campo gravitazionale terrestre. Gli astronauti non pesano rispetto alla navicella . Li vediamo galleggiare in essa, come abbiamo visto la nostra Samantha Cristoforetti durante alcuni mesi.

Questo è un riferimento inerziale locale.Le sfere di vetro, libere da forze, abbandonate in quiete dall'astronauta, rimangono in quiete : la definizione è pienamente soddisfatta.

Un oggetto che cade liberamente verso terra non avverte il proprio peso. Se facciamo cadere liberamente un accelerometro, esso segna zero accelerazione. Sembra strano? Ci saremmo aspettati che segnasse $g = 9.81m/s^2$ ?

Beh, se è questo ciò che aspettavamo, dobbiamo rivedere le nostre conoscenze della fisica.
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