Fotografare la relatività di Einstein con l’iPhone

Chi ha provato a riprendere con lo smartphone un’elica di aeroplano o un ventilatore avrà forse osservato uno strano effetto ottico: nei video e nelle foto le pale non appaiono ben definite, ma formano linee o fasce di colore, spesso addirittura staccate dal punto centrale di rotazione. Probabilmente però, nessuno sa che il bizzarro fenomeno è una manifestazione dell’effetto Hall – una particolare espressione dell’elettromagnetismo – né che è collegato alla relatività speciale di Einstein e alla fisica quantistica. Non ne sarà a conoscenza, a meno che non abbia letto l’ultimo studio di due ricercatori dell’Istituto Riken, in Giappone, pubblicato su Physical Review Letters.

L’effetto ottico degli scatti eseguiti con smartphone e tablet è conosciuto come rolling shutter ed è dovuto alla bassa qualità dei sensori montati su questi dispositivi, che acquisiscono le immagini pezzetto per pezzetto, dall’alto verso il basso e da destra verso sinistra. L’inquadratura non è dunque catturata tutta nello stesso istante. E se l’oggetto ripreso si muove e ruota in direzione opposta a quella in cui il sistema esegue le scansioni dello spazio, si ottiene il particolare fenomeno, che può dar luogo a delle foto piuttosto buffe.

Come anticipato, questa illusione ottica è anche un esempio (insieme ai sicuramente meno intuitivi vortici quantistici e volani relativistici) di un nuovo tipo di effetto Hall, mai descritto prima d’ora e che si verifica naturalmente in relatività speciale, senza cioè che intervengano forze esterne.

Ma che cos’è questo effetto Hall? Si tratta di una classe di fenomeni fisici che derivano dall’interazione tra il moto di rotazione e lo spostamento lineare delle particelle. Prendiamo il caso degli elettroni che ruotano in un campo magnetico: qualora si applichi un campo elettrico aggiuntivo, le particelle cariche si sposteranno perpendicolarmente ad esso proprio per via di questo fenomeno (analogamente si avrà lo stesso tipo di spostamento se si ha una corrente elettrica in un conduttore, cui viene successivamente applicato un campo magnetico, qui il video).

Che si voglia studiare il moto di particelle quantistiche eccitate o quello delle pale di un’elica, secondo i complicati calcoli degli scienziati, quando si descrive un fenomeno di rotazione con un approccio relativistico le equazioni rivelano lo stesso nuovo effetto Hall, con le sue strane deformazioni.

La teoria che deriva da questi conti, spiegano i ricercatori, funzionerebbe perfettamente non solo dal punto di vista relativistico ma anche da quello quantistico, cosa non sempre semplice da dimostrare, visto che spesso la fisica dei quanti e quella di Einstein non vanno d’accordo. “Questo – dicono gli autori – rende la teoria applicabile a scale incredibilmente diverse, permettendoci di usarla per studiare dalle più piccole particelle in rotazione alla luce, fino ai più grandi buchi neri”.

Riferimento: doi:10.1103/PhysRevLett.108.120403

Credit per l’immagine: Stewf/Flickr