Compendio di relatività - Liceo Scientifico Galilei

TEORIA DELLA RELATIVITÀ
LA RELATIVITÀ GALILEIANA - INVARIANZA DELLA VELOCITÀ DELLA LUCE
La meccanica classica definisce sistemi inerziali quei riferimenti in cui vale rigorosamente il principio
di inerzia, cioè nei quali i corpi non soggetti a forze perseverano nel loro stato di quiete o di moto
rettilineo uniforme. Ciò che stabilisce il primo principio della meccanica non vale per i sistemi di
riferimento solidali con la Terra, a causa dell’accelerazione dovuta al suo moto di rotazione e
rivoluzione. Nei sistemi inerziali un osservatore non può stabilire, con un esperimento di meccanica,
se sia fermo o si stia muovendo di moto rettilineo ed uniforme, rispetto ad
un altro sistema inerziale.
In questi, secondo la meccanica newtoniana, il tempo è un concetto assoluto,
un’entità cioè che scorre uniformemente ed indipendentemente dal sistema
di riferimento.
Le leggi di trasformazione, note come trasformazioni di Galileo, descrivono
le relazioni tra le dimensioni spazio-temporali di due sistemi di riferimento
S e S’ che si muovono lungo la sola direzione x, con una velocità v uniforme,
l’uno rispetto all’altro:
x’ = x-vt
y’ = y
z’ = z
t’ = t
Come già detto, il tempo è assoluto, cioè è possibile sicronizzare due orologi nei due riferimenti,
indipendentemente dalla velocità relativa dei due sistemi.
Ciò fu messo in discussione per la prima volta con lo studio dei fenomeni elettrici e magnetici, nella
prima parte del secolo scorso. Nel 1873 l’elettromagnetismo trovò l’elaborazione più evoluta nella
teoria di J.K. Maxwell, che prevedeva l’esistenza di onde elettromagnetiche, la cui velocità di
propagazione è elevatissima ma ben definita, uguale a quella della luce (c=3x108 Galileo Galilei
m/s).
Maxwell propose che la luce stessa doveva essere un’onda elettromagnetica, o meglio la risposta
visiva ad una radiazione elettromagnetica la cui lunghezza d’onda è compresa fra 0,4 e 0,7 micron;
ciò fu confermato nel 1887 da H.R. Hertz.
L’inatteso comportamento dei fenomeni elettromagnetici passando da un sistema di riferimento ad
un secondo in moto traslatorio uniforme rispetto al primo, violava il principio di relatività galileiana.
Infatti, secondo quest’ultimo la velocità c, come ogni velocità, dovrebbe trasformarsi in:
c’ = c-v’ .
L’osservatore, misurandola e trovando un valore diverso da c, potrà stabilire di muoversi con velocità
v’ rispetto all’altro riferimento. Questo sarà quindi il sistema di riferimento assoluto, l’unico in cui la
luce ha velocità c. Ma questa tesi fu confutata dall’esperienza di Michelson e Morley, i quali trovarono
che la velocità della luce è indipendente dalla velocità della sorgente o di chi la misura.
L’ESPERIMENTO DI MICHELSON E MORLEY
Attorno al 1890 due fisici americani Albert Michelson ed Edward Morley, tentarono di dimostrare
l'esistenza dell'etere e decisero di verificare l’ipotesi della misurabilità del moto della Terra usando la
velocità della luce come riferimento tramite un esperimento.
Si era ipotizzata l'esistenza dell'etere in linea teorica, in quanto non si poteva ammettere che la luce
si propagasse nell’universo attraversando il vuoto: l’etere sarebbe stato il mezzo attraverso il quale
la luce viaggiava, la sostanza esistente ovunque si propagassero onde luminose; esso serviva, per
così dire, a “portare” le onde luminose, così come l’acqua “porta” l’onda che in essa si propaga.
La scoperta della natura elettromagnetica delle onde luminose compiuta da Maxwell ed Hertz aveva
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