Il paradosso dei gemelli è uno dei più noti aspetti della relatività… ma la sua spiegazione non è così banale!

La teoria della relatività può dar luogo ad apparenti contraddizioni, come quella del paradosso dei gemelli. Secondo la dilatazione dei tempi descritte dalle trasformazioni di Lorentz, lo scorrere del tempo su una nave spaziale che si allontana da noi a velocità relativistiche ci apparirà fluire più lentamente. Un ipotetico astronauta che torna da un viaggio interstellare sarà quindi invecchiato meno di un suo gemello o di chiunque sia rimasto sulla Terra.

Spesso si pensa erroneamente che il paradosso consista proprio nel fatto che uno dei due è invecchiato meno dell’altro, in apparente contraddizione con la meccanica galileiana, in cui il tempo è una quantità assoluta.
In realtà l’inghippo risiede piuttosto nel fatto che, nel sistema di riferimento dell’astronauta, è la Terra a allontanarsi dal lui e sono i terrestri a sembrare muoversi più lentamente, mentre per lui il tempo sembra scorrere normalmente. Perciò al ritorno del gemello astronauta dovrebbe essere il gemello rimasto a casa a essere invecchiato di meno.

Il paradosso nasce dalla apparente simmetria tra due sistemi di riferimento, in ciascuno dei quali il tempo sembra scorrere più lento se visto dall’altro. Al momento di rincontrarsi i due fratelli non possono essere contemporaneamente più vecchi e più giovani! Perciò l’errore risiede proprio in questa ipotesi.
Nonostante le apparenze, non vi è infatti simmetria tra i due gemelli: uno accelera, si allontana, decelera e riaccelera per tornare indietro (ad esempio compiendo una semi-orbita attorno a una stella) sulla Terra. Pertanto l’astronauta è soggetto ad accelerazioni (quindi è in un sistema di riferimento NON inerziale / a velocità non costante) a differenza del gemello rimasto sulla terra *1.

Il paradosso può essere spiegato anche nel contesto della sola Relatività Speciale. Per via della contrazione delle distanze, il gemello astronauta raggiunge la sua meta percorrendo un cammino inferiore di quello misurato da terra (o da un altro astronauta che si muove a velocità non relativistiche) e impiega dunque un tempo minore per raggiungere la sua meta. Ad esempio, per raggiungere Alpha Centauri a 4 anni luce da noi, al 90% della velocità della luce, l’astronauta ritiene di aver percorso “solo” 1.8 anni luce. Se gira intorno alla stella e torna indietro alla stessa velocità avrà percorso una distanza di 8 anni luce nel sistema di riferimento terrestre, e 3.6 nel suo (conti pizzosi sotto). A parità di velocità relativa tra i due gemelli, secondo l’astronauta saranno passati meno anni dato che la distanza da lui percorsa è minore *2.

In attesa di astronavi degne di questo nome, la contrazione dei tempi relativistica è stata misurata per la prima volta nel 1971 da Hafele e Keating, portando un orologio atomico a bordo di un aereo. Volando verso est, la velocità rispetto a un sistema di riferimento inerziale (quello del sole è una approssimazione sufficiente) si somma a quella di rotazione terrestre, mentre volando verso ovest si sottrae.

D’altro canto, a 11 km di altezza risentiamo di meno del campo gravitazionale terrestre. Perciò in aereo il tempo (secondo la Relatività Generale) appare scorrere leggermente più veloce rispetto a chi è sulla superficie. Gli effetti combinati fanno sì che l’orologio sull’aereo verso est (che va più veloce rispetto alla rotazione terrestre) sembri scorrere più lentamente, misurando 59±10 nano secondi in meno (+144 RG -184 RS = -40ns attesi, quindi entro l’errore di misura) rispetto a quello rimasto a Terra. L’orologio sull’aereo verso ovest misura un ritardo di 273 nanosecondi (+179 RG +96 RS = +275 ns attesi, anche qui entro le misure) rispetto a terra.
I satelliti GPS sono più lenti di 7.2 microsecondi/giorno, ma più veloci di 45.8 microsecondi / giorno per via della loro maggiore distanza dal centro del campo gravitazionale terrestre, per un effetto complessivo di 38.6 microsecondi/giorno.
Per avere effetti più marcati è necessario avvicinarsi a campi gravitazionali più intensi come gli immancabili ed abusati buchi neri, ma questo sarà oggetto di un altro post.

Nota 1. Un sistema di riferimento non inerziale (SRNI) è percepibile tramite la forza apparente che si manifesta per via dell’accelerazione/decelerazione ed è equivalente a un campo gravitazionale per il principio (di equivalenza, appunto) alla base della Relatività Generale. Il tempo di un orologio che si trova in un campo gravitazionale (o è soggetto ad accelerazione) appare scorrere più lentamente a un osservatore che si trova al di fuori del campo.

Nota 2. Non è necessario che sia la stessa entità a tornare indietro. Il fenomeno è presente anche se l’astronauta incontra su Alpha Centauri un alieno diretto verso la terra per conquistarla. Se – prima di essere vaporizzato dall’alieno – l’astronauta gli comunica il tempo trascorso nel suo viaggio, quando l’alieno raggiungerà la terra potrà dire al gemello – prima di vaporizzare lui e tutta la Terra – che il tempo trascorso da quando il (fu) astronauta è partito è inferiore a quello percepito sulla (di lì a poco fu) Terra.

(3) Continua

(2)  Contrazione delle lunghezze e dilatazione dei tempi 

(1)  Trasformazioni di Lorentz

Per chi è arrivato fino qui sotto, la vera storia del paradosso dei gemelli con quiz associato (trova i tre termini). Hendrik Lorentz ebbe non tre ma quattro figli: infatti con il parto di Geertruida Luberta nacque anche Carl. I due bambini  avevano caratteri molto diversi  e litigavano sempre. La mamma, Aletta Kaiser, trovava la differenza inspiegabile (1) .

Carl  non finì mai gli studi e si diede – con successo – all’agricoltura e all’allevamento di animali (2). La madre era molto felice che finalmente anche Carl avesse trovato il suo posto nella società, anche se finché visse non riuscì mai a spiegarsi il motivo di questo repentino mutamento (3).