Tutto è relativo

Nel 1905 la mente del fisico tedesco Albert Einstein elaborò, in un articolo intitolato “Zur Elektrodynamik bewegter Körper” ovvero “Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento”, un’intuizione destinata a stravolgere le leggi della fisica classica fino ad allora conosciute e che si concretizzò nella nota teoria della relatività. Esistono in realtà due diverse teorie della relatività, distinte anche se collegate, quella ristretta o speciale e quella generale, pubblicata solo dieci anni dopo, nel 1915. Entrambe le teorie nascono con l’intento di rendere universali, ovvero valide per tutti i sistemi di riferimento, le leggi della fisica e in particolare di conciliare le leggi della meccanica classica con quelle dell’elettromagnetismo. La teoria ristretta interpreta i fenomeni fisici in un sistema in moto rettilineo uniforme, un sistema inerziale, mentre la teoria generale li interpreta in qualsiasi condizione di moto (non uniforme, accelerato, ecc.).

I fisici, prima della sensazionale scoperta, si erano basati sulla teoria della relatività di Galilei, che mostrava come, appunto, le leggi della fisica fossero ugualmente applicabili in sistemi di riferimento particolari detti inerziali, ovvero quei sistemi che rispondono alla prima legge della dinamica (quella inerziale) e che cioè si muovono con velocità costante e senza cambiare direzione. Uno tra gli esempi più utilizzati, anche dallo stesso Galilei, per spiegare questo principio, consiste nel figurarsi una nave che, come detto prima, si muove con velocità costante e non vira (non cambia direzione); se ci si trova nella stiva di questa nave, senza possibilità di guardare fuori, con dei semplici esperimenti di meccanica non si può distinguere realmente se la nave si stia muovendo o meno rispetto alla Terra, infatti, ad esempio, un pendolo continuerebbe ad oscillare o ancora una biglia procederebbe in linea retta proprio come se fosse sulla terraferma: la nave è un sistema di riferimento inerziale e al suo interno valgono delle leggi sempre applicabili.

La situazione mutò però, come già detto, con l’introduzione dei fenomeni elettromagnetici che non rispondevano più alle leggi della fisica classica. Per comprendere ciò teniamo adesso in considerazione due casi distinti:

1)

 -Se lanciamo una palla da fermi con una determinata forza F, questa cadrà a una distanza d1.

 -Se lanciamo la stessa palla, con la stessa forza da una macchina in movimento; sta volta la palla cadrà a una distanza d2, diversa dalla precedente e ad essa superiore perché, alla velocità che diamo noi alla palla si somma quella della macchina stessa (secondo le leggi della meccanica classica di Newton).

2)

-Se accendiamo i fari di un’automobile ferma, anche in questo caso la luce arriverà dopo un preciso istante di tempo, ad una determinata distanza d1.

-Se accendiamo ora i fari di un’automobile in movimento, in teoria, la luce del veicolo in movimento dovrebbe spostarsi più velocemente ed arrivare a una distanza d2 maggiore, ma così non è; questa raggiungerà infatti la medesima distanza d1 dopo lo stesso intervallo di tempo. Alla velocità della luce non si deve difatti sommare la velocità dell’automobile, ma, in entrambi i casi, la luce viaggia alla stessa velocità: 299mila km/s.

Questo è il primo postulato formulato da Einstein:la velocità della luce (c) è costante ed è indipendente dalla velocità della sorgente(ovvero se l’osservatore è in moto oppure è fermo).

Le conseguenze di quest’affermazione, che potrebbe sembrare innocua, furono in realtà di grandissima portata; finirono cioè con il cambiare radicalmente le nostre concezioni di spazio e tempo, prima credute grandezze assolute, costanti e indipendenti tra loro.

Questa rivoluzionaria considerazione portò Einstein ad introdurre il concetto della relatività dello spazio-tempo.

Immaginiamo di avere due orologi sincronizzati, uno fermo (A) ed un altro invece all’interno di un veicolo che si muove a grande velocità (B). Confrontando i due orologi dopo che è passato un determinato periodo di tempo per l’orologio fermo (A), si potrà vedere che l’orologio che era in movimento (B) non segnerà la stessa ora di quello fermo, come si potrebbe pensare (considerando appunto il tempo come una grandezza assoluta), ma risulterà indietro rispetto all’altro; all’interno del veicolo il tempo sarà, cioè, passato più lentamente.

Vediamo un altro esempio per chiarire ancora il concetto:

Immaginiamo, per misurare il tempo, una clessidra formata da due specchi e da un raggio luminoso che rimbalza tra questi, determinando con ogni oscillazione lo scorrere del tempo. Ora mettiamo la clessidra in movimento: il raggio di luce parte dallo specchio più basso; quello in alto nel frattempo si è spostato proprio perché la clessidra è in movimento, per cui lo spazio entro il quale il raggio di luce deve oscillare aumenta; la luce deve percorrere una distanza maggiore alla stessa velocità (abbiamo detto prima essere costante) e il tempo di oscillazione aumenta.

Lo scorrere del tempo non è una grandezza assoluta, uguale per tutti, ma è quindi relativo (alla velocità, allo stato di moto dell’osservatore). A velocità prossime a quelle della luce (c), il tempo scorre più lentamente rispetto al tempo terrestre; l’unità di misura del tempo si espande, ossia un secondo ( t’ ) dura più a lungo rispetto al secondo ( t ) misurato sulla Terra.

Con un esempio anche banale lo stesso fisico tedesco aveva provato a spiegare ai suoi contemporanei questo concetto rivoluzionario quanto difficile: “Tutto è relativo. Prendi un ultracentenario che rompe uno specchio: sarà ben lieto di sapere che ha ancora sette anni di disgrazie”.

Oltre a evidenziare come il tempo e lo spazio siano relativi, Einstein sottolineò come questi siano anche dipendenti: essiformano un’unica grandezza fisica detta spazio-tempo, anch’essa relativa.

 Se il tempo aumenta, lo spazio diminuisce. Per cui in un veicolo che viaggia a velocità prossime a quelle della luce, come detto prima, il tempo passerà più lentamente e in più lo stesso veicolo rispetto a un osservatore fermo, si contrarrà.

La teoria della relatività di Einstein non è una tra le tante scoperte in campo fisico ma essa cambiò lo stesso modo di approcciarsi alla fisica; creò di fatto un divario nella storia: aprì ai fisici successivi possibilità mai nemmeno pensate fino a quel momento.

Alessandra Catarinicchia