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La nascita della Relatività Speciale
La ricostruzione della nascita della teoria einsteiniana della Relatività Speciale (RS) da un punto di vista storico è tuttora controversa. Vi lavorano ancora ricercatori in tutto il mondo (si veda, ad esempio, John D. Norton). Inoltre, come spesso avviene in ambito scientifico, essa non necessariamente costituisce l'approccio più semplice e chiaro da un punto di vista didattico. I processi di formazione di nuove idee scientifiche, specialmente di quelle "rivoluzionarie", sono sempre complessi e articolati, e passano attraverso fasi di transizione caotiche e a volte contraddittorie. Ad esse fa però solitamente seguito il momento della sistemazione logica, della "riorganizzazione delle idee".
Dal punto di vista didattico, e ancor di più da quello divulgativo, appare quindi molto più opportuno intrudurre la RS nella sua versione "risistemata" piuttosto che in quella fedele alla cronologia degli eventi.
Sul finire del secolo, inoltre, una diversa serie di fenomeni fisici trova la sua comprensione: si tratta di quelli elettrici e magnetici, riuniti magnificamente in un'unica teoria che li spiega entrambi: l'Elettromagnetismo.
A questo punto può essere opportuna un'osservazione: noi oggi siamo intrisi di tecnologia, di "nucleare" (dalle centrali per la produzione di energia alle apparecchiature diagnostiche come la TAC, la PET, etc., giusto per tacere delle armi…), di "particelle elementari". Ma nulla di tutto questo era noto all'epoca di cui stiamo parlando: alla fine dell'Ottocento la Meccanica e l'Elettromagnetismo erano, insieme con la Termodinamica, tutta la Fisica nota! È importante tener presente questo fatto per comprendere ciò che segue.
Uno dei contributi più rilevanti contenuti nell'opera di Galileo è stato quello che, volendo per il momento evitare termini specialistici, potremmo chiamare "principio di democrazia" in Fisica (e attenzione che per Galileo la Fisica non era altro che la Meccanica!). Molto semplicemente si tratta della dichiarazione che il modo in cui avvengono i fenomeni meccanici non dipende dall'osservatore, purché esso appartenga alla cosiddetta categoria degli "osservatori inerziali", intendendo con questo termine tutti quelli che riuscirebbero a versarsi una tazza di the senza necessità di particolari abilità. Questa è ovviamente una semplificazione a solo scopo didattico-divulgativo di una caratteristica, l'inerzialità di un osservatore, la cui definizione è delicata e alquanto tecnica. A questo proposito, prima di proseguire, val la pena di introdurre un concetto fondamentale in questo contesto: quello della assolutezza o relatività di un fenomeno fisico. Viene detto assoluto qualsiasi fenomeno o grandezza che siano "visti" (per un fisico vedere vuol sempre dire misurare) nello stesso modo da ogni osservatore. Per contro si usa l'aggettivo relativo nel caso in cui osservatori diversi "vedono" cose diverse.
Un classico esempio di questo secondo tipo è la velocità di un oggetto: il bagaglio di un viaggiatore che si trova in un treno è fermo (ossia ha velocità nulla) rispetto al viaggiatore, ma sfreccia veloce rispetto a chi si trovi a terra. Viceversa un esempio di grandezza assoluta è l'accelerazione: durante la partenza di un grand prix di Formula 1 l'accelerazione delle vetture è "vista" dagli spettatori esattamente nella stessa misura in cui è "sentita" dai piloti! Ebbene: con un maggior grado di precisione si può dire che gli osservatori inerziali sono quelli che non si "sentono" accelerati. (La difficoltà di versarsi del the è proprio legata alla presenza di un'accelerazione...).
Se da una parte la Meccanica di Galileo e Newton (che oggi definiamo Classica) è democratica nei confronti di tutti gli osservatori inerziali (gli altri, quelli accelerati, risultano in qualche modo discriminati), l'Elettromagnetismo è vero solo se "guardato" da osservatori in quiete rispetto al cosiddetto etere, ossia quello che era ritenuto essere il mezzo in cui vibrano le onde elettromagnetiche (così come l'acqua è il mezzo in cui vibrano e si propagano le onde del mare). Una condizione tutt'altro che democratica!
Tirando le somme la situazione, negli ultimi anni del XIX Secolo, è questa: la Fisica è divisa in due categorie di fenomeni con proprietà di invarianza (questo è il nome che i fisici danno al "grado di democrazia" di una teoria) completamente diverse. Cosa gravissima e inaccettabile. D'altra parte non sembrava esserci una via d'uscita, perché tanto la Meccanica quanto l'Elettromagnetismo mostravano di essere troppo accurate per essere false.
Dal punto di vista didattico, e ancor di più da quello divulgativo, appare quindi molto più opportuno intrudurre la RS nella sua versione "risistemata" piuttosto che in quella fedele alla cronologia degli eventi.
Un po' di storia
Cominciamo a inquadrare il periodo storico. Siamo alla fine del XIX Secolo. La Fisica, in questi suoi primi due-trecento anni di storia di quella che viene considerata l'Era Moderna, ha riportato successi strepitosi. È stata in grado di spiegare il moto dei corpi, siano essi celesti (pianeti, satelliti) o terrestri (proiettili, oggetti in caduta, trottole, etc.). È questo l'ambito della Meccanica Classica.Sul finire del secolo, inoltre, una diversa serie di fenomeni fisici trova la sua comprensione: si tratta di quelli elettrici e magnetici, riuniti magnificamente in un'unica teoria che li spiega entrambi: l'Elettromagnetismo.
A questo punto può essere opportuna un'osservazione: noi oggi siamo intrisi di tecnologia, di "nucleare" (dalle centrali per la produzione di energia alle apparecchiature diagnostiche come la TAC, la PET, etc., giusto per tacere delle armi…), di "particelle elementari". Ma nulla di tutto questo era noto all'epoca di cui stiamo parlando: alla fine dell'Ottocento la Meccanica e l'Elettromagnetismo erano, insieme con la Termodinamica, tutta la Fisica nota! È importante tener presente questo fatto per comprendere ciò che segue.
Uno dei contributi più rilevanti contenuti nell'opera di Galileo è stato quello che, volendo per il momento evitare termini specialistici, potremmo chiamare "principio di democrazia" in Fisica (e attenzione che per Galileo la Fisica non era altro che la Meccanica!). Molto semplicemente si tratta della dichiarazione che il modo in cui avvengono i fenomeni meccanici non dipende dall'osservatore, purché esso appartenga alla cosiddetta categoria degli "osservatori inerziali", intendendo con questo termine tutti quelli che riuscirebbero a versarsi una tazza di the senza necessità di particolari abilità. Questa è ovviamente una semplificazione a solo scopo didattico-divulgativo di una caratteristica, l'inerzialità di un osservatore, la cui definizione è delicata e alquanto tecnica. A questo proposito, prima di proseguire, val la pena di introdurre un concetto fondamentale in questo contesto: quello della assolutezza o relatività di un fenomeno fisico. Viene detto assoluto qualsiasi fenomeno o grandezza che siano "visti" (per un fisico vedere vuol sempre dire misurare) nello stesso modo da ogni osservatore. Per contro si usa l'aggettivo relativo nel caso in cui osservatori diversi "vedono" cose diverse.
Un classico esempio di questo secondo tipo è la velocità di un oggetto: il bagaglio di un viaggiatore che si trova in un treno è fermo (ossia ha velocità nulla) rispetto al viaggiatore, ma sfreccia veloce rispetto a chi si trovi a terra. Viceversa un esempio di grandezza assoluta è l'accelerazione: durante la partenza di un grand prix di Formula 1 l'accelerazione delle vetture è "vista" dagli spettatori esattamente nella stessa misura in cui è "sentita" dai piloti! Ebbene: con un maggior grado di precisione si può dire che gli osservatori inerziali sono quelli che non si "sentono" accelerati. (La difficoltà di versarsi del the è proprio legata alla presenza di un'accelerazione...).
Se da una parte la Meccanica di Galileo e Newton (che oggi definiamo Classica) è democratica nei confronti di tutti gli osservatori inerziali (gli altri, quelli accelerati, risultano in qualche modo discriminati), l'Elettromagnetismo è vero solo se "guardato" da osservatori in quiete rispetto al cosiddetto etere, ossia quello che era ritenuto essere il mezzo in cui vibrano le onde elettromagnetiche (così come l'acqua è il mezzo in cui vibrano e si propagano le onde del mare). Una condizione tutt'altro che democratica!
Tirando le somme la situazione, negli ultimi anni del XIX Secolo, è questa: la Fisica è divisa in due categorie di fenomeni con proprietà di invarianza (questo è il nome che i fisici danno al "grado di democrazia" di una teoria) completamente diverse. Cosa gravissima e inaccettabile. D'altra parte non sembrava esserci una via d'uscita, perché tanto la Meccanica quanto l'Elettromagnetismo mostravano di essere troppo accurate per essere false.
Le teorie di Albert Einstein
La soluzione di questo dilemma doveva passare per il genio assoluto e l'audacia di Albert Einstein. Nel 1905, definito in seguito annus mirabilis (e celebrato con giusta enfasi, nel 2005 attraverso il World Year of Physics 2005 - www.physics2005.org) vengono pubblicati ben tre lavori dello scienziato tedesco, allora ventiseienne. Per uno di questi riceverà più tardi il Premio Nobel. Un altro dei tre, incomparabilmente più importante di quello premiato, contiene la Relatività Ristretta, che scardinava nel profondo il senso comune di spazio e tempo.L'idea di partenza fu quella di considerare la velocità della luce nel vuoto (più in generale di ogni onda elettromagnetica, di cui la luce visibile non è che un caso particolare) come un oggetto assoluto. Poco sopra abbiamo affermato che le velocità sono tipiche grandezze relative: l'idea di Einstein è di concedere alla luce di fare eccezione. L'audacia sta nell'accettare tutte le conseguenze che da questo fatto discendono, le quali sono clamorose, senza scartarle perché "evidentemente false". Così facendo Einstein riuscì a riconciliare la Meccanica (opportunamente modificata) con l'Elettromagnetismo. Pace era fatta!
La Relatività Ristretta
La nuova teoria, che oggi chiamiamo Relatività Ristretta per distinguerla da una sua versione ampliata dallo stesso Einstein, detta Relatività Generale (nata per dare al campo gravitazionale quella cittadinanza che per sua natura le negava la Relatività Ristretta), tiene fermo l'Elettromagnetismo ma cambia le regole per il passaggio dalla descrizione di un osservatore rispetto a un altro. Tale cambiamento comporta stravolgimenti della Meccanica, che però sono sperimentalmente apprezzabili solo in condizioni molto lontane da quelle a cui sono adattati i nostri sensi e in cui si è formato il nostro intuito, il che spiega il motivo del fatto che la Meccanica di Galileo e Newton è apparsa adeguata per oltre due secoli. Resta il fatto che da un punto di vista filosofico si tratta di una vera e propria rivoluzione.Il succo della Relatività Ristretta è che, contrariamente a quanto i nostri sensi ci suggeriscono, i concetti di spazio e tempo non hanno alcun senso separatamente. Più precisamente non sono assoluti ma piuttosto relativi. Ciò che è assoluto, e pertanto ha un senso suo proprio, è la loro unione, detta spaziotempo. Semplificando parlare di "qui" o di "ieri" ha senso per un osservatore ma non per tutti gli altri. Parlare invece di "qui-e-ora" è perfettamente sensato. Per comprendere la portata di queste affermazioni, che a prima vista potrebbero sembrare poco rilevanti, è sufficiente considerare che se è privo di significato parlare di tempo senza parlare anche di spazio, allora non hanno alcun senso espressioni come "simultaneamente" o "dopo due anni", che fanno esattamente questo.
La Relatività Ristretta era riuscita nell'impresa di conciliare la Meccanica con l'Elettromagnetismo, sebbene al prezzo di stravolgimenti del senso comune. Il principio di democrazia in Fisica era ristabilito... ma rimanevano pur sempre i privilegi degli osservatori inerziali rispetto agli altri. Era chiaro che tale situazione poteva essere ritenuta soddisfacente solo parzialmente.
Per sancire definitivamente un principio di democrazia veramente universale servivano altri dieci anni... e nuovamente il genio di Einstein. La Teoria della Relatività Generale è infatti del 1915, e con essa il fisico tedesco dà un'ulteriore vigorosa spallata all'intuito comune, ancora traballante per quella subita nel 1905.
(A cura di: Lorenzo Fatibene, Mauro Francaviglia, Silvio Mercadante, Dipartimento di Matematica, Università degli Studi di Torino e Marcella Giulia Lorenzi, E.S.G. - Evolutionary Systems Group, Università della Calabria)
