Compendio di relatività - Liceo Scientifico Galilei

INTRODUZIONE
Nel XIX secolo i sorprendenti risultati del progresso tecnico determinarono una fede illimitata nei procedimenti
scientifici ed una insoddisfazione per la filosofia romantica. La filosofia doveva solo fornire i principi del metodo,
soprattutto per ciò che riguarda individui e società nel loro processo evolutivo. A partire dall’Illuminismo, passando
attraverso Romanticismo e Positivismo, la cultura scientifica giunse fino al Materialismo storico con la convinzione
sempre più salda di poter comprendere l’uomo, il mondo in cui vive ed il suo sviluppo storico, racchiudendoli in una
visione ottimistica e deterministica, dettata dalle semplici leggi fisiche che la caratterizzano.
Tuttavia nell’ultimo decennio dell’800 e nei primi del ‘900 la scienza abbandona l’illimitata fiducia nelle leggi e
negli schemi in cui si era illusa di poter racchiudere, mediante sintesi definitive, l’infinita ricchezza dell’Universo.
La scoperta delle geometrie non-euclidee, la fisica atomica di Planck, la teoria matematica della relatività di
Einstein, le esplorazioni sulla vita psichica inconscia di Freud, portano ad una radicale revisione critica dei modelli
del sapere fino ad allora validi. Tra le scienze che per prime misero in crisi le basi stesse su cui si fondavano, vi si
deve senz’altro annoverare la fisica, grazie all’opera di due grandi scienziati:
Max Planck (1858-1947) ed Albert Einstein (1879-1955).
Il primo di essi è da molti considerato il “padre della fisica moderna”, grazie agli
studi sull’energia; con essi le conoscenze della materia e dell’estensione vennero
rivoluzionate ed i limiti della rappresentazione umana della realtà esterna vennero
messi in luce; le sue teorie aprirono la strada a tutti i successivi sviluppi della fisica
quantistica. Le idee fondamentali della teoria dei quanti ricevettero un’importante
convalida nell’interpretazione di Einstein.
La teoria della relatività è stata definita da Einstein, nella forma che fu detta della
“relatività speciale”, nel 1905, per risolvere l’apparente contraddizione alla quale si
era giunti nello studio dell’elettrodinamica dei corpi in movimento, contraddizione
derivante dalla impossibilità di rilevare sperimentalmente alcuna differenza nella
velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche da parte di un osservatore in
moto rispetto all’ipotetico mezzo, l’etere, sede della propagazione delle onde stesse.
Il fallimento degli esperimenti volti a questo scopo ebbe da Einstein la seguente
spiegazione: l’esistenza dell’etere non può essere rivelata, in quanto ogni movimento è relativo e si misura rispetto
a qualche cosa che è a sua volta in movimento. Come con esperimenti compiuti entro una nave non si può stabilire
se la nave si muove rispetto all’acqua, così non si può misurare la variazione della velocità della luce facendo
ricorso ad un campione di misura che comporta proprio quella variazione; e poiché non abbiamo modo di sottrarci
a tale riferimento, dobbiamo concludere che la velocità della luce è sempre la stessa rispetto ad un osservatore
qualunque. Il maggior merito della teoria della relatività sta proprio nell’aver introdotto nella scienza il concetto di
“relatività” -la nozione che non esiste alcun movimento assoluto nell'universo, solo movimenti relativi- soppiantando
la meccanica tradizionale di Isaac Newton. La teoria di Einstein, da questo punto di vista, si muove nella stessa
direzione della critica mossa da Mach al valore assoluto
dei concetti e delle leggi scientifiche.
Nel 1915 Einstein pubblicò una teoria di portata più
generale, chiamata appunto “relatività generale”, nella
quale vengono approfondite le proprietà dei corpi in
moto accelerato qualsiasi, giungendo a ricondurre ad
un’unica spiegazione le proprietà inerziali e le proprietà
gravitazionali della materia. Einstein mostrò che noi
non stiamo nel piatto spazio euclideo e nell'uniforme
ed assoluto tempo dell'esperienza quotidiana, ma in un
altro sistema: lo spazio-tempo curvo.
Le teorie di Albert Einstein, non solo i lavori sulla
Albert Einstein
Max Planck
relatività ma anche le spiegazioni dell’effetto
fotoelettrico (premiate con il Nobel) e dei moti
browniani, hanno innescato un'importante rivoluzione
in fisica ed in astronomia nel corso del ventesimo secolo. Esse giocarono un ruolo importantissimo in fisica: portarono
infatti all'era nucleare, con i suoi potenziali positivi e negativi, resero possibile la conoscenza del microcosmo delle
particelle elementari e delle loro interazioni; hanno altresì rivoluzionato il nostro punto di vista sul cosmo con le sue
previsioni di fenomeni astronomici apparentemente bizzarri, come il Big Bang, stelle di neutroni, le onde gravitazionali
ed i Black Holes. Alla base delle teorie sulla relatività, argomento che si intende trattare in questa sede, sta il
principio di relatività einsteniano, estensione ai fenomeni fisici di qualsiasi tipo del principio di relatività galileiano,
fondamento basilare della meccanica classica: bisogna perciò partire da una analisi del principio da lui formulato
per una corretta comprensione del significato delle teorie relativistiche.
3