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senza la dovuta autorizzazione o citazione della fonte di provienienza. Pippo Panascì www.ibeans.it
Rif. “La scienza per tutti “ Autori: Robert M.Hazen – James
Trefil Ed CDE Spa su licenza
Longanesi & C
La
relatività
IL nostro capitolo sulla
relatività sarà molto diverso rispetto agli altri capitoli di questo libro. Noi
tutti abbiamo un'esperienza quotidiana del moto e di forze, della materia e
dell' energia. Le sostanze chimiche, la Terra e gli organismi viventi sono
cose tangibili. La relatività richiede invece un approccio astratto, e
addirittura filosofico, alla scienza. Albert Einstein scoprì la relatività non
eseguendo esperimenti, ma riflettendo su come la natura dev'essere.
Possiamo seguire le idee di Einstein eseguendo gli stessi semplici esperimenti
mentali.
La relatività è un argomento
affascinante perché ci dà un modo del tutto nuovo di guardare all'universo.
Eppure una quantità di scienziati, noi compresi, situerebbe la relatività
piuttosto in basso nell' elenco delle cose che si devono sapere per avere una
cultura scientifica di base. Einstein e la sua teoria fanno parte però della
nostra eredità culturale, o se si preferisce del folkore scientifico. La
relatività è divertente, ed è molto utile per fare colpo sulla gente alla
feste.
Chiariamo subito una cosa. Non
è assolutamente vero che in tutto il mondo ci sono solo una decina di persone in
grado di capire la teoria della relatività. Quest'affermazione può essere stata
vera nel 1920 (anche se-, a dire il vero, dubitiamo anche di questa versione più
ristretta). Oggi i princìpi basilari della relatività vengono insegnati
anche nelle scuole secondarie superiori, e centinaia di studenti di fisica
e astronomia imparano ogni anno la relatività in modo matematicamente
rigoroso.
La relatività non è difficile
tecnicamente. La sua proposizione fondamentale può addirittura sorprenderci
per la sua semplicità:
Le leggi di natura appaiono
uguali a ogni osservatore.
La relatività ha un precetto
centrale: non esiste un luogo «giusto» da cui osservare l'universo: non c'è una
visione
privilegiata delle cose, un
universo quale appare «all'occhio di Dio ». Le leggi di natura appaiono uguali a
ogni osservatore, tanto all'osservatore contemplativo comodamente
seduto sulla sua sedia a dondolo quanto all'astronauta che viaggia nello
spazio a una velocità prossima a quella della luce. Le leggi che governano
l'universo, secondo la teoria della relatività, sono le stesse dovunque le
si osservi.
Quest'idea sembra quasi troppo
semplice; eppure molti fra i risultati ottenuti dalla teoria violano la nostra
comprensione intuitiva del modo in cui il mondo dovrebbe comportarsi. La
relatività ci chiede di prendere nella dovuta considerazione il fatto che il
mondo non si comporta sempre come noi ci aspettiamo che si comporti, e molte
persone sono turbate dall'indifferenza della natura verso il nostro senso di
come dovrebbero essere le cose. Se riusciremo ad abituarci all'idea che
l'universo è ciò che è, indipendentemente da come pensiamo che dovrebbe
essere, non avremo alcun problema con la relatività.
Sistemi di
riferimento
Quando siamo seduti in poltrona a casa nostra,
osserviamo il mondo da un sistema di riferimento che è saldamente
ancorato alla solida Terra. Se invece stiamo facendo un viaggio in automobile o
su un aereo o su un'astronave, osserviamo il mondo da un sistema di riferimento
in moto rispetto alla Terra. Nell'uno come nell'altro caso siamo osservatori
in senso relativistico; tanto nell'uno quanto nell'altro sistema di
riferimento potremmo allestire un laboratorio di fisica e compiere
esperimenti, descrivere fenomeni fisici e dedurre le leggi della
natura.
Quale che sia il nostro sistema di riferimento, possiamo
pensare di essere in quiete mentre ogni altro osservatore è in movimento. Questo
modo di considerare le cose potrebbe non sembrare ovvio; quando viaggiamo in
macchina è difficile che pensiamo di essere immobili, attribuendo il
movimento al paesaggio che sfreccia accanto a noi. La maggior parte di noi
sono abituati a pensare alla Terra come al « giustO» sistema di riferimento, e
noi tendiamo inconsciamente a metterci nel sistema di riferimento della
Terra, sia che ci troviamo tranquilli a casa nostra sia che stiamo
viaggiando più o meno velocemente. Ma ti è mai capitato, stando seduto
su un aereo o su un treno in manovra, di gettare uno sguardo fuori dal
finestrino e di pensare che a muoversi fossero l'aereo o il treno immobili
accanto al tuo? In quel momento, prima che la tua mente cosciente avesse ripreso
il sopravvento e reimposto il suo pregiudizio, eri un vero osservatore
relativistico. Il tuo sistema di riferimento era il tuo centro fisso
dell'universo, e ogni cosa era in movimento attorno a te.
Diversi osservatori danno descrizioni diverse di uno
stesso evento. Se, mentre sei su un treno in corsa, lasci cadere questo libro,
il libro cade verticalmente, almeno ai tuoi occhi. Se però qualcuno osservasse
lo stesso fenomeno dall'esterno, per esempio da una banchina di una stazione di
transito, vedrebbe il libro cadere descrivendo un arco: il movimento del treno
farebbe infatti percorrere al libro una certa distanza orizzontale durante
il tempo che esso impiega a cadere. Tu e la persona sulla banchina dareste
descrizioni diverse della sua caduta.
Supponiamo ora che tu e la persona sulla banchina vi
muniate di un laboratorio di fisica ciascuno e che ognuno di voi determini le
leggi che governano la caduta libera di oggetti nel suo sistema di riferimento.
Quando confrontate i vostri risultati, troverete che sono identici: entrambi
troverete confermate le leggi del moto di Newton. In altri termini, osservatori
che si trovano in sistemi di riferimento diversi danno descrizioni diverse di
eventi specifici, ma descrizioni identiche delle leggi che governano tali
eventi. Questa è l'idea centrale della teoria della relatività. Se
supponiamo che essa sia una verità generale, possiamo trarne le conseguenze e
verificarle sperimentalmente. Vedremo allora che le previsioni che seguono
da questo principio superano la prova dell'esperimento, ed è questa la ragione
per cui gli scienziati accettano la teoria.
Il principio di relatività può
essere enunciato semplicemente nel modo seguente:
« le leggi di natura appaiono
uguali a ogni osservatore», ma in pratica è più facile scomporre questo
principio in due parti, fondandosi sul modo in cui stanno muovendosi gli
osservatori e i loro sistemi di riferimento. La parte più facile è la
cosiddetta « relatività ristretta », la quale si occupa del caso speciale
di sistemi di riferimento non soggetti ad accelerazioni. Per usare la
terminologia newtoniana, la relatività ristretta si occupa solo di
osservatori in moto rettilineo uniforme, senza alcuna forza a
modificarne il moto.
La « relatività generale» si
applica invece a qualsiasi sistema di riferimento, sia esso o no
accelerato. La relatività generale contiene la relatività ristretta come un
caso speciale ma è matematicamente molto più difficile. Noi tratteremo
relatività ristretta e relatività generale separatamente, affrontando
dapprima la teoria più semplice.
Dovremmo fare un'altra
osservazione sul posto della relatività nella ricerca scientifica moderna.
Benché la teoria della relatività dia l'impressione di essere un settore
d'avanguardia nella scienza moderna, essa esiste già dal 1905 ed è oggi
considerata dai fisici una parte familiare e ben verificata del loro mondo. Se
si prescinde dai tentativi di fondere la relatività generale con la meccanica
quantistica, di questi tempi si fa ben poca ricerca sulla relatività di per sé.
I risultati della teoria sono semplicemente incorporati nelle ricerche compiute
in altri campi.
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