VirtualRelativity: an interactive simulation of the special theory of relativity in virtual reality

The Special Theory of Relativity, introduced by Albert Einstein in the early 20th century, marked a radical shift in our understanding of space and time. Nevertheless, the theory's non-intuitive implications continue to pose conceptual challenges for novice physicists. In this thesis, we propose a virtual reality solution based on the development of a Unity package capable of simulating the effects of relativity in a digital environment. The current implementation includes the representation of space contraction, time dilation and relativistic Doppler effect. The primary focus lies in the accurate representation of relativistic laws, as well as in computational efficiency and in the modeling of a user interface specifically crafted to enhance understanding and interactivity. The package significantly reduces developer workload through a streamlined API, enabling maximum freedom in the development of virtual scenarios. Design goals are validated by a testing phase conducted through dedicated probe scenes. To showcase the potential of this work, we also present the deployment of a VR application built on top of the package, that transports users in experiencing relativistic effects in real-life scenarios. The application is scheduled to be used by Master's students in Physical Engineering at Politecnico di Milano. In the meanwhile, other educational areas of expansion are being considered, suggesting a promising future in the direction of this work.

La Teoria della Relatività Speciale, introdotta da Albert Einstein all’inizio del XX secolo, ha segnato un cambiamento radicale nella comprensione dello spazio e del tempo. Tuttavia, le sue implicazioni non intuitive continuano ad essere da ostacolo per chiunque si approcci alla disciplina. In questa tesi, proponiamo una soluzione in realtà virtuale basata sullo sviluppo di un pacchetto Unity in grado di simulare gli effetti della relatività in ambiente digitale. L'implementazione attuale include la simulazione della contrazione delle lunghezze, dilatazione del tempo ed effetto Doppler relativistico. L'attenzione è principalmente rivolta ad un'accurata rappresentazione delle leggi relativistiche, così come all'efficienza computazionale e allo sviluppo di un'interfaccia utente specificamente progettata per migliorare la comprensione e l'interattività. Il pacchetto riduce significativamente il carico di lavoro dello sviluppatore attraverso un'API semplificata, consentendo la massima libertà nello sviluppo di scenari virtuali. Gli obiettivi del progetto sono stati validati mediante una fase di test condotta attraverso scene sonda dedicate. Per dimostrare il potenziale di questo lavoro, presentiamo anche lo sviluppo di un'applicazione VR implementata attraverso il pacchetto, che trasporta gli utenti a sperimentare gli effetti relativistici in scenari di vita reale. L'applicazione è in programma per essere utilizzata dagli studenti del corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Fisica del Politecnico di Milano. Nel mentre, si stanno prendendo in considerazione altre aree educative di espansione, a suggerire un futuro promettente nella direzione di questo lavoro.