E' tutto relativo.. anche la relatività

• 17 febbraio 2021

E’ il giugno del 1905 quando un giovane impiegato dell’Ufficio Brevetti di Berna pubblica sulla rivista scientifica “Annalen der Physik” un articolo di dieci paragrafi dal titolo “Zur Elektrodynamyk Bewegter Korper” ossia “Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento”. Alzi la mano chi ha una benché minima idea di cosa stiamo parlando. Ma se vi dicessimo che quel giovane impiegato si chiamava Albert Einstein, e che quell’articolo contiene ed espone per la prima volta i principi della Teoria della Relatività, allora sicuramente le cose cambiano. Albert Einstein, il fisico più celebre del XX secolo (e per intenderci, era un secolo in cui hanno operato –chi a fine carriera chi ad inizio- mostri sacri del calibro di Marie Curie, Dirac, Bohr, Heisenberg, Plank, Born, Rutherford, Compton, De Broglie, Thomson, Hubble, Feynman …) e forse della storia, il cui nome è divenuto sinonimo stesso di genio, inventiva e grande intelligenza. E la relatività è la sua creazione più conosciuta (ma, contrariamente a quanto spesso si pensa, non quella per cui vinse il premio Nobel), che contiene tra le altre cose l’equazione più celebre di tutti i tempi, conosciuta persino da chi è lontanissimo da questo mondo e fatta ergere a vera e propria bandiera dell’intera disciplina: E = mc2. Una bandiera che, curiosamente, all’inizio non doveva neppure esserci; è stato dopo un ripensamento dell’ultimo minuto, ad articolo già pronto, che Einstein decise di aggiungere un post scriptum di tre paragrafi per illustrare un’ultima conseguenza della sua teoria: E = mc2, per l’appunto. Una bandiera semplice, elegante, e con al suo interno qualcosa di magico: energia e materia sono in realtà due facce di una stessa medaglia. Le implicazioni sono enormi: la materia può liberare grandi quantità di energia e questo (almeno per noi, abituati a pensare all’energia nucleare) è facile da afferrare. Ma la magia risiede nel contrario: l’impalpabile, eterea energia, se “compressa” a dovere, può trasformarsi in concreta e tangibile materia. E con quelle tre lettere un piccolo apice, la rivoluzione ebbe inizio.

Tuttavia, è importante capire che la relatività non è stata una rivoluzione piovuta dal cielo, creata dal nulla dal genio indiscutibile di un unico scienziato, bensì è stata raggiunta tramite la naturale evoluzione del sapere umano, il proseguo ‘spontaneo’ di un percorso che ha origini molto più antiche: da Aristotele e Tolomeo a Newton e Maxwell, passando per Keplero e Galileo, la relatività è stato il gradino successivo dello sviluppo della fisica. Conoscenze più profonde portano a domande sempre più complesse, e rispondere a queste domande richiede teorie sempre più raffinate: così è nata la relatività. Ma che cosa ci dice Einstein? Di solito quello che si pensa è sempre che “tutto è relativo”. In realtà il punto di partenza è l’esatto opposto: in un universo in continuo cambiamento, in cui i sensi di un osservatore possono essere ingannati in molteplici modi, esiste qualcosa che possiamo confidare resti sempre costante, immutabile e insuperabile: la velocità della luce nel vuoto. Tutto il resto è una ‘semplice’ (si fa per dire) conseguenza di questo fatto, anche gli aspetti apparentemente più assurdi. Ad esempio, armiamoci di un ipotetico metro e di un altrettanto ipotetico cronometro e immaginiamo di utilizzare questi due strumenti per misurare la velocità della luce nel vuoto: facciamo partire un raggio di luce, misuriamo la distanza che percorre e il tempo che impiega a farlo. Il risultato che otteniamo è circa 300 000 km al secondo. Ora immaginiamo che la nostro raggio di luce si trovi a bordo di un treno che viaggi a 100 000 km al secondo e ripetiamo la misura: ci aspetteremmo che il risultato sia 400 000 km /s, ossia i 300 000 usuali più la velocità del treno. E invece no: con nostro grande stupore (di tutti, meno che di Einstein) il risultato è sempre 300 000 km / s!! Com’è possibile? In realtà è molto semplice, solo un po’ strano. Se la velocità deve restare sempre costante, c’è una sola spiegazione: è cambiato il tempo che il nostro cronometro deve misure e lo spazio che il nostro metro deve segnare. Il tempo può rallentare, gli spazi possono contrarsi o dilatarsi, perché non importa in quale situazione noi ci troviamo, la velocità della luce nel vuoto quella è e quella deve restare. Ecco il grande punto di rottura con il passato: lo spazio e il tempo, che siamo abituati a pensare come delle costanti assolute, in realtà non lo sono affatto. Lo spazio è come un tappeto elastico che possiamo allungare o comprimere a nostro piacimento, mentre un secondo o un minuto misurati in un determinato punto non è detto che abbiano la stessa durata di un secondo o un minuti misurati altrove in condizioni diverse.

Il 25 novembre 1915, poi, la relatività compie un ulteriore evoluzione passando da ‘ristretta’ a ‘generale’, includendo al suo interno anche la gravità. Ed ecco che quella teoria che sembrava uno schiaffo in faccia alle scoperto di Newton e Galileo ora diviene invece una naturale generalizzazione di quanto da loro sostenuto; se le condizioni non sono particolarmente estreme, la relatività si semplifica fino a trasformarsi nelle leggi elaborate da Newton e Galileo. Ma di nuovo, cosa ci vuole dire Einstein? In questo caso la bandiera è un pochino più complessa:



Okay, questa volta sembra arabo. Che cosa significa quella formula apparentemente incomprensibile? Anche stavolta, il punto di partenza è semplice: ricordate lo spazio pensato come un tappeto elastico? Ricordate quando dicevamo di come in determinate condizioni questo tappeto potesse deformarsi e lo scorrere del tempo rallentare? Bene, la gravità è una di queste “determinate condizione”, una delle cose in grado di operare queste deformazioni, E questo ha tutta una serie di conseguenze estremamente interessanti anche per l’astronomia: la precessione di Mercurio, le lenti gravitazionali, i celeberrimi buchi neri e, dopo alcune inaspettate peripezie, persino l’energia oscura responsabile dell’espansione dell’universo.

Innumerevoli esperimenti e osservazioni astronomiche hanno pienamente confermato la bontà di questa teoria, ma a livello più profondo, quando i fisici teorici cercano l’unificazione della gravità con la meccanica quantistica, si scopre un’altro aspetto della realtà: essa non è quantizzabile! Ovvero non è possibile con le conoscenze attuali medellizzare la relatività in accordo alle leggi universali che regolano il mondo subatomico: il modello standard delle particelle descrive le forze di natura (elettromagnetica, forte e debole) come campi quantizzabili mediate da singole particelle (i bosoni quali fotoni, gluoni, W/Z, Higgs). La forza di gravità dovrebbe essere mediata dal gravitone, una particella teorica che nessuno ha mai osservato. Ogni tentativo di quantizzare la gravità è finora fallito: ciò indica forse che la sua postulazione formale possa essere incorretta e che prima o poi scoprimeremo che la relatività attuale è anche’essa relativa se osservata con l’occhio della fisica subatomica!
Per ulteriori approfondimenti si vedano i seguenti articoli del nostro sito:

1. La sostenibile finitezza di c
2. A cavallo di un fotone
3. Per tutti i bosoni

(*) Nota: Articolo scritto dai soci del Gruppo Astrofili Brianza e apparso sulla rivista di Federmanager del mese di Gennaio 2021.