Teoria della Relatività
Come Einstein ha cambiato le nostra concezione del tempo e dello spazio

Introduzione

Nella seconda metà dell'Ottocento, la grande sintesi teorica di Maxwell, porta all'unificazione di elettricità, magnetismo ed ottica. Per realizzare questa profonda trasformazione concettuale, Maxwell sfrutta in pieno una nuova grandezza fisica, appena introdotta da Faraday, il campo, che avrà una grande fortuna soprattutto nel Novecento, dove, grazie alla sua versione quantistica, diventerà il protagonista principale di molte ricerche.
Il meccanicismo di Newton, infatti, con la sua pretesa di ricondurre tutti i fenomeni fisici ad una interazione fra particelle materiali, per mezzo di forze dipendenti solamente dalla distanza, non riesce infatti ad interpretare tutta la complessa fenomenologia dell'elettricità e del magnetismo. La teoria di Maxwell considera come entità fondamentali non più le particelle e le relative forze a distanza, come nella formulazione di Newton della meccanica, ma il campo (elettromagnetico).
Un campo possiede delle proprietà in qualche modo opposte alla tradizionale particella newtoniana. Una particella occupa una regione di spazio ben delimitata ed è caratterizzata dalla sua massa, velocità e posizione, mentre al contrario il campo è una entità delocalizzata, presente con continuità in tutto lo spazio, dove ovviamente assume diversi valori. Una carica elettrica in movimento, per esempio, crea nello spazio circostante un campo elettromagnetico, che si propaga alla velocità della luce trasportando energia. Il campo, una volta creato, possiede una sua esistenza propria, perché continua a propagarsi, anche se, per qualche motivo, la carica viene rimossa.
I fisici dell'Ottocento, ancora influenzati dal meccanicismo e quindi convinti che spiegare un fenomeno significasse trovare un modello meccanico del fenomeno in questione, credevano che tutto lo spazio fosse riempito da una particolare sostanza, detta etere, le cui oscillazioni dovevano permettere la propagazione del campo elettromagnetico.
Alla fine dell'Ottocento, un passo molto importante in direzione della relatività viene compiuto dal fisico olandese Lorentz: il campo elettromagnetico non rappresenta più una semplice proprietà della materia, ma il veicolo tramite il quale l'interazione elettromagnetica si trasmette da una particella all'altra. Ogni carica, in presenza di un campo elettromagnetico, è sottoposta ad una forza, detta appunto di Lorentz, dipendente dal valore che il campo assume nel punto dove si trova la carica. L'elettromagnetismo ha quindi bisogno sia delle particelle, portatrici di carica elettrica, che del campo, quale responsabile dell'interazione che le particelle fra loro esercitano.
Si giunge quindi ad una contrapposizione, destinata ad essere una delle protagoniste della fisica del Novecento, fra campo e particelle, continuo e discontinuo, che appaiono come grandezze fra loro irriducibili.
Nei primi anni del Novecento, Einstein sviluppa la teoria della relatività ristretta allo scopo di estendere la validità del principio di relatività di Galilei a tutti i fenomeni fisici, in particolare a quelli elettromagnetici. Fra le sue conseguenze più importanti ci sono la ridefinizione dei concetti di spazio e tempo, come pure la scoperta dell'equivalenza fra massa ed energia. Il concetto di tempo assoluto viene a cadere, essendo il tempo relativo all'osservatore che lo misura: questo significa che due eventi simultanei per un certo osservatore non lo sono più per un altro osservatore, in moto relativo rispetto al primo.
Il risultato forse più importante per Einstein è però costituito dal fatto che una particella dotata di una certa massa è equivalente ad una grande quantità di energia. Questa scoperta infatti poteva essere interpretata come una prova del fatto che le particelle non fossero altro che zone del campo ad alta densità di energia ed alimentava la speranza di Einstein arrivare ad una teoria unitaria del campo, dove le particelle non avrebbero più dovuto essere considerate come delle entità irriducibili, ma solo delle particolari caratteristiche del campo. Il meccanicismo sarebbe quindi stato definitivamente sconfitto.
La teoria della relatività generale nasce dal bisogno di modificare la teoria newtoniana della gravitazione, alla luce dei risultati della relatività ristretta. Per Newton la forza di gravità agisce istantaneamente fra due corpi, mentre la relatività ristretta afferma che nessun segnale si può propagare ad una velocità maggiore di quella della luce nel vuoto. Alla base della teoria si colloca il principio di equivalenza secondo il quale l'effetto della gravità è del tutto equivalente a quello prodotto dal moto accelerato. Una delle più celebri verifiche della teoria è l'esperimento di Eddington sulla deviazione della luce proveniente dalle stelle in prossimità del Sole.
Secondo molti scienziati e filosofi la validità della teoria della relatività generale implica la confutazione definitiva della geometria euclidea. Lo spazio-tempo in vicinanza di una grande massa non sarebbe più piatto ed i ben noti teoremi della geometria euclidea non sarebbero più validi. La loro argomentazione presenta tuttavia, come vedremo nel seguito, dei punti deboli che permettono ancora di sostenere la validità della geometria euclidea. Il problema di quale geometria sia la più adatta per descrivere le proprietà dello spazio fisico è quindi tuttora irrisolto e potrebbe non trovare mai una soluzione definitiva.



(presentazione dell'Autore)