[Questo post è diviso sostanzialmente in tre parti. Nella prima c'è un accenno a quella che è la teoria di Einstein, nella seconda parte c'è la descrizione degli avventurosi tentativi di dimostrare empiricamente la teoria, mentre nella terza parte c'è il commento al film "Einstein and Eddington"]
Anni fa ho visto un documentario molto ben fatto su Einstein dove, in maniera avvincente, venivano raccontati vari aspetti della sua vita.
Si parlava del suo turbolento matrimonio con una studentessa di fisica la quale deve aver sofferto non poco per aver dovuto abbandonare gli studi; anche il fatto che Albert avesse una relazione con un'altra donna non ha certo aiutato. Dopo 16 anni, il matrimonio è finito in divorzio e Albert si è sposato con l'altra donna.
Si parlava poi diffusamente del periodo storico in cui Einstein ha iniziato la sua carriera, periodo fortemente segnato dalla prima guerra mondiale. Einstein era un convinto pacifista ed era uno dei pochi scienziati a non aver aderito alla causa bellica. Non riusciva a capacitarsi di come diversi suoi amici e colleghi potessero mettere tanto zelo nell'escogitare nuovi e sempre più potenti modi per distruggere vite. Il suo amico chimico Friz Haber era particolarmente invasato ed era riuscito a convincere l'esercito a utilizzare i gas tossici di sua ideazione. Se guardate una foto di Haber, ditemi se non vi viene in mente il Dr. Cyclops.
Il pezzo forte del documentario era però l'aspetto scientifico. Quando Einstein ha iniziato i suoi studi, il mondo della fisica era in crisi: le teorie di Galileo, formalizzate poi da Newton, per tre secoli erano rimaste praticamente inattacabili.
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Galileo usava il volgare
anche per scopi divulgativi |
Galileo sosteneva che le leggi della meccanica, cioè relative al movimento dei corpi, sono le stesse in qualsiasi sistema di riferimento inerziale. Dicesi "sistema di riferimento inerziale" un qualsiasi sistema dove vale il Primo Principio della Dinamica: un corpo o sta fermo o si muove con moto rettilineo uniforme, a meno che una forza non agisca sul corpo in questione. Il sistema di riferimento stesso può essere fermo oppure può muoversi in modo rettilineo uniforme.
Esempi: la stanza in cui sto ora scrivendo sta ferma, quindi è un sistema di riferimento inerziale. Esco di casa e la strada, che è dritta e non ha pendenze, è un altro sistema di riferimento inerziale. Anche un treno in corsa, o una nave che solca i flutti, o un'astronave che viaggia nello spazio sono sistemi di riferimento inerziali, purchè non cambino di velocità, né curvino, né sobbalzino, insomma ci siamo capiti.
Galileo inoltre ha detto che non c'è un sistema inerziale privilegiato. Se sono spaparanzata in spiaggia sotto il sole tropicale e vedo una nave che passa, posso giustamente pensare che io sto ferma e che la nave si sta muovendo. Ma anche quelli che sono spaparanzati a prendere il sole sul ponte della nave possono, altrettanto giustamente, pensare di essere fermi, mentre io, la spiaggia e il resto del mondo ci stiamo muovendo. Questa è la relatività galileiana.
Ora immagino sempre di essere distesa su questa ipotetica spiaggia e qualcuno in vena di scherzi mi tira una noce di cocco su un piede. Io starnazzo:"Ma porc* pu**ana! La noce è atterrata sul mio piede alla velocità di 10km/h! Vaff**nc**o!"
(Anche io uso il volgare, forse non proprio come Galileo...)
Ecco che però, osservando il ponte della nave dalla spiaggia con una potente apparecchiatura stile James Bond, vedo che anche un'altra signora, mollemente adagiata su una sdraio, è vittima di uno scherzo del genere. Un gentile bambino le ha lanciato una noce sull'elegante piede e io riesco perfino a misurare la velocità con cui la noce atterra: ben 30km/h!!
Penso che la signora si è fatta senz'altro più male di me, invece la sento gridare esattamente le stesse identiche parole che ho gridato io. Dopo un momento di stupore, mi rendo conto che la differenza tra la mia misurazione e quella della signora sta nel fatto che io e lei siamo in due sistemi inerziali diversi che si muovono a velocità diverse, quindi nel mio sistema di riferimento, alla velocità della noce viene sommata anche la velocità della nave; nel suo sistema questa somma non avviene perché per lei la nave è ferma.
Quindi, le leggi sono sempre le stesse e valgono in tutti i sistemi inerziali però quando si fanno le misurazioni di spazi e velocità, bisogna tenere conto di dove si trova l'osservatore che fa queste misurazioni. Galileo ha scritto anche delle trasformazioni apposite, per passare da un sistema di riferimento a un altro.
Insomma, per quasi tre secoli tutto questo è andato bene fino a che...qualcuno ha visto la luce. O meglio, qualcuno si è accorto che la luce ha sempre la stessa velocità, indipendentemente dalla velocità del sistema di riferimento in cui la si misura! Colpo di scena, la teoria crolla.
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Anche Joliet Jake ha visto la luce |
In particolare, a mettere in crisi il sistema galileiano erano gli studi del fisico Maxwell che aveva capito che la luce era un'onda elettromagnetica, capace di propagarsi nel vuoto. E Maxwell aveva fatto tutto un sistema di equazioni per descrivere le onde e i campi elettromagnetici, ma tutto questo cozzava con le vecchie teorie.
Che fare? I fisici erano in crisi. Non sapevano se buttare le teorie di Maxwell o quelle di Galileo.
Maxwell o Galileo? Galileo o Maxwell?
E similmente a quell'acqua effervescente che si proponeva come il giusto mezzo tra il liscio e il gassato, entra in scena Einstein: la terza via, l'anello di congiunzione tra il vecchio e il nuovo.
Einstein dice che nei sistemi inerziali tutte le leggi sono le stesse, non solo quelle della meccanica ma anche quelle dell'ottica e dell'elettromagnetismo. Ma a una condizione: bisogna abbandonare il concetto di tempo assoluto così come lo conosciamo.
Quindi non solo lo spazio è relativo al sistema di riferimento in cui si fa la misurazione, anche il tempo lo è. E già che c'è, Einstein fonde lo spazio e il tempo in un unico concetto che molto originalmente viene chiamato
spaziotempo. Al limite, se proprio si vuole usare un termine più originale, lo si può chiamare
cronotopo.
Cosa vuol dire che il tempo non è assoluto? Vuol dire che un secondo dura diversamente per due osservatori che si trovano in sistemi inerziali diversi. Ad esempio: se un omino si trova in una astronave che va
molto, molto veloce e spara un raggio luminoso su uno specchio posizionato sul soffitto, questo omino vedrà il raggio salire verticalmente e scendere verticalmente.

Immaginiamo ora che l'astronave passi vicino a un pianeta dove si trova un altro omino. Quello dentro l'astronave spara il raggio e quello sul pianeta osserva la scena. Ebbene, l'omino sul pianeta vedrà il raggio luminoso salire
obliquamente (non più verticalmente) e scendere obliquamente. Secondo l'osservatore sul pianeta, il raggio luminoso fa un tragitto più lungo rispetto a quello che vede l'osservatore sull'astronave. Quindi se in entrambi i casi la velocità della luce è costante ma gli spazi percorsi sono diversi, è evidente che l'unico altro parametro che può cambiare è il tempo. Incredibile ma vero: il tempo scorre più lentamente per l'omino che viaggia molto velocemente sulla sua astronave.
Questo è un concetto decisamente rivoluzionario ed è anche difficile riuscire a visualizzarlo ma funziona proprio così: più veloce si va e più il tempo rallenta. E dirò di più: ad altissime velocità le lunghezze si accorciano. Veramente oltre ogni ipotesi fantascientifica: eppure è così.
Quindi per passare da un sistema inerziale a un altro si usano non più le trasformazioni galileiane, si usano bensì quello del fisico Lorentz, ma in definitiva, a basse velocità, le due trasformazioni praticamente si equivalgono.
E questa è in pratica la teoria della relatività ristretta, ristretta perchè si riferisce soltanto ai sistemi inerziali. Einstein non è però soddisfatto, lui punta a qualcosa di più generico. I sistemi inerziali, alla fin fine, sono qualcosa di praticamente virtuale. Cosa si muove di moto rettilineo uniforme? Quasi niente, la Terra men che meno e così anche i pianeti e i vari corpi celesti.
A questo punto, ecco che un altro grande fisico sta per ricevere una tremenda stoccata. Proprio lui, sir Isaac Newton, con la sua teoria gravitazionale. Newton asseriva che due corpi qualsiasi si attraessero tra loro ma non riusciva a capire bene cosa fosse questa forza di attrazione. Newton era addirittura imbarazzato per il fatto di non riuscire a spiegare la cosa.