Cent’anni di relatività


Albert Einstein

Esattamente il 25 novembre del 1915, Albert Einstein formulava quella che oggi è nota come la teoria della relatività generale. Quest’anno ricorre il centenario dell’avvento dell’ultima grande fatica dello scienziato più famoso del mondo. Ma cosa ci dice, in parole semplici, questa teoria? Per essere il più possibile chiari, dobbiamo prima però fare qualche accenno alla teoria della relatività ristretta, o speciale, che il fisico geniale formulò nel giugno del 1905 e con la quale si metteva in crisi quella che era la fisica newtoniana come modello assoluto per la meccanica.

La teoria della relatività ristretta
Alcuni piccoli cenni sul contesto problematico in cui si trovava Einstein. Il problema verteva l’armonizzazione dell’elettromagnetismo di Maxwell con la meccanica newtoniana, oggi ricordata come meccanica classica.
Era diffusa, nella fisica di fine Ottocento, l’idea che la luce non potesse propagarsi nel vuoto, che fosse cioè necessario un mezzo, attraverso il quale potesse viaggiare: l’etere. Questa forma di mezzo starebbe in stato di quiete assoluto e permetterebbe la diffusione della luce. Senza di esso, questa non sarebbe visibile, così come il suono non si può propagare nel vuoto. Nessun fisico era riuscito, tuttavia, a trovare sperimentalmente gli effetti della presenza di questo mezzo, il cosiddetto “vento d’etere”. (Un esperimento piuttosto rilevante sarà quello di Michelson-Morley, in cui non si rivelava alcuna interferenza da parte dell’etere per la propagazione della luce). Si aveva però l’idea, o forse il preconcetto della sua necessaria esistenza.
Ebbene, la teoria della relatività ristretta afferma l’inutilità di questo concetto: non esiste alcun mezzo in quiete assoluta. Inoltre vengono generalizzate le trasformazioni galileiane, in altri termini non esiste un sistema di riferimento privilegiato per quanto riguarda le leggi della fisica. Ogni sistema di riferimento ha uguale rilevanza. Questo semplice concetto, quello dell’uguaglianza delle leggi della fisica all’interno dei diversi sistemi di riferimento, è noto come principio di relatività. In particolare il principio della relatività ristretta si esprimeva però solo per i sistemi di riferimento inerziali e cioè in moto uniforme o in stato di quiete relativa.
Accanto a questo postulato, si ergeva un nuova costante assoluta: quella della velocità della luce. La luce si muove alla stessa velocità sia che sia emessa da una sorgente in stato di quiete che in moto uniforme.

Se ogni sistema di riferimento ha lo stessa rilevanza, non esiste un sistema di riferimento privilegiato, quindi non ha più senso parlare di spazio e tempo assoluti. Essi sono invece relativi al sistema di riferimento, in quiete o in moto uniforme, preso in considerazione.
Altra novità è la fine del concetto di simultaneità assoluta.
Due segnali luminosi rilevati simultaneamente in un dato sistema di riferimento non lo saranno in un altro, nonostante la sincronizzazione degli orologi nel momento stesso in cui partono i segnali luminosi e una volta stabilito un punto comune di arrivo del segnale. Cadono così gli assoluti, vale a dire due segnali che partono nello stesso istante di sincronizzazione degli orologi, verranno rilevati in momenti diversi: cambia il sistema di riferimento, cambia quindi anche il tempo di ricezione del segnale. Così come il tempo non è assoluto, non lo è neanche lo spazio. Un fenomeno curioso della relatività è quindi la dilatazione temporale e la contrazione dello spazio. Tempo e spazio cambiano secondo il sistema riferimento.

Teoria della relatività generale
“Il pensiero più felice della mia vita”, così Einstein ebbe a definire la teoria della relatività generale, formulata a seguito di un’immensa fatica e un grande travaglio per darne una formalizzazione matematica coerente. Ma i concetti fondamentali sono piuttosto semplici. La teoria della relatività generale generalizza il principio di relatività. Ciò che prima era ristretto unicamente per i sistemi di riferimento in moto uniforme, è adesso esteso anche a qualunque sistema di riferimento, anche in accelerazione, quindi anche alla gravità. La teoria della relatività generale è infatti anche una teoria cosmologica che risolve diversi problemi che ritrovava la teoria newtoniana. Riesce a spiegare perfettamente il moto del perielio di Mercurio, inoltre prevede molto accuratamente l’incurvamento dei raggi solari, (rilevato poi sperimentalmente da Eddington nel 1919) e lo spostamento della luce verso il rosso, prova dell’espansione dell’universo, rilevata nel 1924 da Hubble (Einstein in realtà inizialmente era scettico sulla teoria dell’espansione dell’universo ma dovette poi rivedere le sue posizioni).
In parole semplici la teoria della relatività generale spiega l’effetto della materia sullo spazio-tempo che, per così dire, si incurva per la sua presenza, tutto ciò spiega, ad esempio, la deflessione dei raggi solari. Inoltre, altro elemento fondamentale è l’utilizzo, per la spiegazione di questi fenomeni, delle geometrie non euclidee, il dominio assoluto della geometria e del ragionamento euclideo veniva per la prima volta messo in discussione e abbattuto definitivamente. Le proprietà geometriche dello spazio-tempo dipendono dalla massa e quindi dall’energia gravitazionale che incurva le onde elettromagnetiche. Un esempio concreto di questo tipo è la lente gravitazionale. Per effetto della massa e quindi della forza gravitazionale emessa da corpi molto grandi il cammino della luce risulta incurvato, così che lo spazio percorso tra la sorgente luminosa e ad esempio il pianeta Terra non sarà su una linea retta. In definitiva vedremo la posizione della sorgente luminosa sfasata rispetto a quella effettiva. Le stelle che osserviamo nella volta celeste non sono affatto dove crediamo siano dalla semplice osservazione comune.
relatività

Conseguenza naturale della relatività del tempo è inoltre il paradosso dei gemelli. Se un gemello viaggia su una potente astronave ad una velocità paragonabile a quella della luce, tornerà sulla Terra più giovane del gemello rimasto sul nostro pianeta, per l’effetto della dilatazione del tempo. Tutto ciò non è molto intuitivo ed è difficile da immaginare partendo dall’esperienza quotidiana. La scienza, come spesso accade, va molto al di là della nostra immaginazione!
Sono passati cent’anni ma la relatività è ancora in ottima salute e, pur essendo abbastanza ostica, soprattutto per i non addetti ai lavori, risulta essere più in forma che mai e corroborata sperimentalmente. (Gabriele Giordano)

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