Nuova grande scoperta: metterà in crisi Einstein?

Certa divulgazione scientifica sembra non aspetti altro che scoprire che "Einstein aveva sbagliato"

Quando avviene un'importante scoperta scientifica nel campo della fisica fondamentale, ad esempio in astrofisica, in fisica delle particelle o nella meccanica quantistica, è tipico per gli articoli di divulgazione scientifica di bassa lega, dopo aver riportato in modo sommario e spesso impreciso i dettagli della notizia (altrimenti non sarebbero divulgazione di bassa lega) porsi immancabilmente la fatidica domanda: questa scoperta metterà in crisi la teoria di Einstein? Anzi, i piu' arditi si sbilanciano affermando con certezza: "messa in crisi la teoria di Einstein!".

Qualche esempio? "I neutrini vanno più veloce della luce: Einstein aveva sbagliato tutto!" (ANSA). Tutto, mica qualcosa! Proprio non ci aveva azzeccato niente, nemmeno le unità di misura della velocità della luce. Tutta la teoria della relatività da buttare nel cesso! Oppure "La luce rallenta, Einstein aveva sbagliato i calcoli" (L'Unità). I calcoli, capite? Come al liceo, che quando ti chiedevano come era andata rispondevi "ho sbagliato i calcoli, ma il procedimento era giusto". Anche per Einstein, quindi, il procedimento della Relatività era giusto, ma si era dimenticato di fare il quadrato in E=mc2. Focus invece, bontà sua, è più dubitativo: "Einstein potrebbe essersi sbagliato", mentre pullulano gli "Ecco la scoperta che mette in crisi Einstein" (Libero, il Giornale, e blog vari in rete). Per non parlare poi dei casi in cui Einstein non c'entra niente, ma comunque potrebbe sempre aver sbagliato, non si sa mai. E quindi ecco la galassia che mette in crisi Einstein, il pianeta che mette in crisi Einstein, la particella che mette in crisi Einstein... Me lo immagino Einstein, poveraccio, che ogni tanto entra in crisi. Avrebbe voluto una vita eterna in piena tranquillità, e invece è un continuo va-e-vieni dagli psicologi, sempre a entrare in crisi, sempre stressato, sempre a dire "azz, non avrò mica scazzato qualcosa, io che sono un genio, anzi IL genio!".

Per non parlare poi delle centinaia di siti web dove scienziati incompresi (i cosiddetti scienziati indipendenti) sviscerano improbabili "teorie del tutto" nelle quali, dopo pagine e pagine di calcoli spesso complicatissimi, in genere basati su presupposti errati, arrivano a dimostrare che la Teoria della Relatività è sbagliata, e che, insomma, Einstein non era poi tutto questo genio, e che ovviamente "E non è uguale a mc quadro". Addirittura una volte ne ho visto uno che dimostrava che E=mc alla 2 virgola qualcosa, con buona pace delle unità di misura. Come a dire: "era quasi 2, ci era andato vicino, ma il conto esatto è il mio".

Non si sa per quale misterioso motivo, ma sembra che la segreta speranza di certi sia quella di veder sbugiardato Einstein. Di tutti gli altri, possono anche aver sbagliato, chi se ne frega, tutti gli esseri umani possono sbagliare. Ma con Einstein, metti una sera che il tg delle 8 dicesse "ci arriva adesso la notizia che in seguito alla scoperta di bla bla... Einstein aveva sbagliato", decine di sedicenti giornalisti scientifici e scienziati della domenica, e magari anche un tot di normali cittadini mediamente incompetenti di scienza si alzerebbero di scatto dal divano sfidando il colpo della strega, e come dopo il gol di Rivera in Messico, 4 a 3 ai tedeschi al secondo supplementare, attaccherebbero un "Tooooohhh Einstein, tooooohhhh!!!" che poi devono mettersi la Nivea sull'incavo del braccio. Deve essere una specie di rivincita da parte di uno per il quale una proporzione è un enigma indecifrabile nei confronti del genio per antonomasia. Come a dire: Toh mo', Einstein! Facevi tanto lo sborone, a fare la linguaccia al fotografo, adesso la linguaccia te la faccio io!". 

Il problema, secondo me, è quel "teoria", che confonde. Siccome si chiama "Teoria della Relatività", certi pensano che si tratti alla fine solo di una teoria. E come tutte le teorie vai a sapere se sono vere o no! Una teoria, in fin dei conti, è solo una teoria! Lo stesso errore, per inciso, in tanti lo fanno anche con la "Teoria dell' Evoluzione". E invece ignorano che la Teoria della Relatività si chiamerà pure teoria, ma 100 anni di esperimenti e di progresso scientifico l'hanno rigirata come un calzino, tanto che adesso la Teoria della Relatività è parte essenziale delle conoscenze fondamentali in fisica, e ingrediente indispensabile per spiegare un'infinità di fenomeni. Se fosse solo una teoria, se Einstein avesse banalmente "sbagliato i conti" gli acceleratori e gli esperimenti di fisica delle particelle non funzionerebbero affatto, così come qualunque gingillo elettrico. Non esisterebbe la luce e nemmeno le onde radio, non ci sarebbe l'antimateria che usiamo quotidianamente per le diagnosi con la PET, il GPS non funzionerebbe, le bombe atomiche non sarebbero mai esplose, il sole e tutte le altre stelle non si sarebbero mai accese, tanto per citare i primi esempi che mi vengono in mente. In realtà semplicemente il mondo sarebbe completamente diverso e noi di sicuro non potremmo esistere per raccontarlo. La relatività è talmente un tutt'uno con i fenomeni naturali che affermare che potrebbe essere banalmente sbagliata, come certi fanno, è un po' come dire a un elettricista che progetta e realizza impianti elettrici, e che ha preso un'infinità di volte la scossa, che l'elettricità non esiste. 

Ma c'è un effetto della Teoria della Relatività che secondo me è assolutamente strabiliante, tanto è sottile ma tuttavia conosciutissimo da chiunque sotto altro nome. Lo voglio descrivere perché mette in luce quanto può essere bella la fisica quando si impara a conoscerne i meccanismi, e quanto essa sia capace di interconnettere fenomeni apparentemente scollegati tra loro.

Per prima cosa chiariamo però che esistono due Teorie della Relatività. La Relatività ristretta è l'insieme delle conseguenze del Principio di Relatività, e cioè il fatto che tutte le leggi della natura sono identiche in qualunque sistema di riferimento "inerziale", ovvero in tutti quei sistemi di riferimento in moto rettilineo e uniforme uno rispetto all'altro. La Teoria della Relatività Generale invece, molto più complessa, a parte il nome è sostanzialmente un'altra cosa, interpreta la forza di gravità come un effetto sulla geometria dello spazio-tempo. Per l'esempio di cui voglio parlare serve solo la prima, la Relatività Ristretta.

Una delle conseguenze più curiose della Relatività è la cosiddetta contrazione delle lunghezze. Essa consiste nel fatto che se osserviamo un oggetto che si muove con velocità costante rispetto a noi, la sua lunghezza ci appare inferiore. Si accorcia, in pratica. L'effetto è grande soltanto quando le velocità in gioco sono molto grandi, confrontabili con la velocità della luce, che vale circa 300000 Km/s. Ad esempio un oggetto lungo 1 m che ci sfilasse di fianco a una velocità di 200 Km/h si accorerebbe soltanto di 0.00000000000002 m. Un millesimo di miliardesimo di centimetro: troppo poco per essere rilevabile da chiunque. Invece per una velocità pari alla metà della velocità della luce la sua lunghezza ci apparirebbe più corta di 13 cm, quindi un effetto non trascurabile. Man mano che la velocita' si avvicina a quella della luce, la sua lunghezza vista dall'altro sistema di riferimento si riduce avvicinandosi a zero. Archiviamo questa cosa da qualche parte nella nostra testa perché ci servirà fra poco.

Il fenomeno di cui voglio parlare è descritto in modo magistrale da Richard Feynman, grandissimo fisico e grandissimo insegnante, nel paragrafo 13-6 delle sue celebri lezioni di fisica. Io voglio solo darvi l'idea di come funziona, tralasciando tutti i dettagli tecnici. Quando lo lessi, da studente di fisica, mi chiesi perché a scuola nessuno mi avesse mai raccontato questa cosa così incredibilmente bella (eh, si, noi fisici siamo un po' tarati e sappiamo stupirci con queste cose). Sarebbe importante che la scuola non solo insegnasse le nozioni di fisica fondamentale, ma comunicasse anche un po' di quella meraviglia verso le leggi fondamentali della natura, che è il vero motore che rende entusiasmante il loro studio.

Immaginiamo un filo conduttore, e una carica elettrica di prova, supponiamo negativa, posta a una certa distanza dal filo come in Figura 1. Nel filo non circola corrente, e la carica se ne sta lì bella tranquilla, perché non sente nessuna forza, nessun campo elettrico, niente di niente, solo la forza di gravità, che però non ci interessa. Immaginiamo eventualmente di essere nella stazione spaziale, se la presenza della forza di gravità ci disturba. La carica non sente nessuna forza perché il filo conduttore è composto da atomi, che sono a loro volta composti da nuclei atomici di carica elettrica positiva, e da elettroni, che hanno carica elettrica negativa. Siccome la carica totale degli elettroni (negativa) è esattamente uguale e opposta a quella dei nuclei atomici (positiva), la carica elettrica netta del filo è zero.

Se così non fosse, se la carica negativa degli elettroni non bilanciasse esattamente la carica positiva dei nuclei, sarebbe veramente un bel problema, perché gli atomi avrebbero una carica elettrica netta diversa da zero, e siccome cariche elettriche uguali si respingono, gli atomi non riuscirebbero ad aggregarsi in molecole, o comunque farebbero molta fatica, e il mondo sarebbe pieno di enormi forze repulsive, e, insomma, in buona sostanza, noi non saremmo qui a cazzeggiare. Tanto per fare un esempio, se la differenza tra una carica negativa e una positiva fosse soltanto di una parte su 1 miliardo di miliardi, la forza elettrica repulsiva tra un'ipotetica terra e un ipotetico essere umano siffatti (che comunque non potrebbero esistere sotto queste condizioni) sarebbe talmente forte da farci volare contro la forza di gravità, allontanandoci per sempre dalla superficie terrestre.

Preso atto della fortuna che abbiamo che le cariche elettriche nella materia si annullano perfettamente, colleghiamo il nostro filo a un circuito elettrico e facciamo circolare una corrente elettrica al suo interno. Succede una cosa strana: la carica elettrica esterna, che prima se ne stava bella tranquilla, adesso sente improvvisamente una forza, diretta verso il filo, che prima non c'era. E se vicino al filo ci mettiamo una bussola, scopriamo che attorno al filo è comparso un campo magnetico. Domanda: perché? Perché la corrente elettrica produce qualcosa che prima non c'era, che si manifesta come una forza sulla nostra carica isolata, e che chiamiamo campo magnetico? 

Da notare che a scuola ti dicono banalmente: una corrente elettrica produce un campo magnetico. Come se fosse scontato. Come se fosse la prima cosa che ti viene in mente! E invece io voglio sapere perché una corrente elettrica produce un campo magnetico, ovvero qualcosa che sembra nascere per magia. Infatti è proprio il perché la corrente elettrica produce un campo magnetico che è un capolavoro di sintesi delle leggi della natura!

Per capire meglio perché questa cosa della corrente che produce un campo magnetico sembra una specie di magia vediamo meglio che cos'è la corrente elettrica. Dentro il filo, quando scorre corrente, i nuclei degli atomi restano fermi rispetto alla carica elettrica esterna, mentre gli elettroni si mettono in movimento: un corteo di elettroni che si spintona in fila indiana lungo il filo, a una velocità media di circa 1 millimetro al secondo. Lentissimi, quindi. Per inciso spintonandosi e sbattendo da tutte le parti scaldano il filo. Oh, però, ecco perché il PC o qualunque altro dispositivo elettrico quando lo accendo si scalda! Ma torniamo agli elettroni. Si muovono molto lentamente, eppure questa piccola velocità degli elettroni rispetto ai nuclei fa venir fuori apparentemente dal nulla una nuova forza tra filo e carica esterna, quello che chiamiamo campo magnetico. Di nuovo: perché? 

E cosa succederebbe se muovessi la mia carica elettrica isolata alla stessa velocità degli elettroni del filo, inseguendoli? In questo caso la mia carica elettrica di prova vedrebbe gli elettroni nel filo fermi rispetto ad essa, e quindi non vedrebbe nessuna corrente elettrica scorrere nel filo. Eppure continuerebbe a percepire ugualmente la presenza di un campo magnetico. Che sia perché adesso, pur vedendo gli elettroni fermi rispetto a se stessa, vedrebbe però le cariche elettriche positive del filo sfilare in verso opposto? In effetti una corrente elettrica in direzione opposta, ma fatta di particelle di carica opposta, mi ridarebbe esattamente lo stesso campo magnetico di prima! Che la nascita del campo magnetico sia legata alla differenza di velocità fra le cariche positive e negative, percepita dalla carica di prova? E come fa una differenza di velocità di appena un millimetro al secondo a creare un effetto così macroscopico e importante da essere conosciuto da qualunque elettricista e da riempire interi capitoli nei libri di fisica di base?

La risposta, per quanto sorprendente potrà sembrare, è nella Teoria della Relatività. Infatti nel filo conduttore, quando non scorre corrente, tutte le cariche elettriche sono ferme, e la densità di carica elettrica, definita come il numero di cariche elettriche contenute in una data lunghezza, è la stessa sia per le cariche positive che per quelle negative. E essendo le cariche esattamente uguali e opposte, le due densità di carica si annullano perfettamente. Questo lo sapevamo già.

Ma quando circola corrente, la carica elettrica esterna vede le cariche negative muoversi rispetto a lei, mentre continua a vedere ferme quelle positive. E la Teoria della Relatività ci insegna che le distanze in un sistema visto in movimento ci appaiono contratte. Ci appaiono un po' piu' corte di quando le osserviamo da ferme. E questo significa che la densità di carica negativa del filo, che è il numero di cariche elettriche negative diviso una data lunghezza presa come riferimento (1m, 1cm, 1 quello che ci pare), aumenta, perché le cariche negative si stanno muovendo, e questo fa accorciare le lunghezze di riferimento. In pratica la distanza fra le cariche elettriche negative diminuisce, aumentando di conseguenza la loro densità. E' come se ci fossero 50 passeggeri pressati dentro un bus lungo 10 m. Se per un qualche motivo la lunghezza del bus ci apparisse inferiore, facendolo diventare un pulmino, le 50 persone ci apparirebbero più pressate, cioè la loro densità aumenterebbe. La stessa cosa succede con le cariche in movimento dentro il filo. Ma questo invece non succede per le cariche dei nuclei, che restano fermi! La loro densità di carica rimane quindi inalterata.

E quindi, miracolo, il mio filo elettrico, che quando non circolava corrente era elettricamente scarico, adesso, con il movimento degli elettroni ma non dei nuclei, mi appare avere una carica elettrica netta diversa da zero, perché le densità di cariche positive e negative non sono più perfettamente identiche, e non riescono più a compensarsi perfettamente. E quindi questa forza improvvisamente apparsa dal nulla che attira la carica elettrica di prova verso il filo, e che chiamiamo campo magnetico, non è altro che una forza elettrica! E' una forza elettrica nata dallo squilibrio tra densità di cariche positive e negative nel filo, venutosi a creare a causa della diversa velocità delle cariche positive e negative percepita dalla carica di prova, secondo quanto previsto dalla Teoria della Relatività.

A questo punto uno potrebbe chiedersi: ma la contrazione delle lunghezze non diventa importante solo per velocita prossime a quelle della luce? Qui invece gli elettroni si muovono dentro al filo lenti come lumache! Come è possibile che una velocità così bassa produca un effetto relativistico così macroscopico da essere visibile senza dover usare sofisticate apparecchiature? E' vero, la velocità degli elettroni è piccolissima, ma il punto fondamentale è che, come abbiamo visto poco fa, basta una impercettibile, infinitesima differenza di cariche elettriche nella materia per dare effetti macroscopici! Insomma, il campo magnetico, quello delle calamite(1), tanto per capirci, è la Teoria della Relatività che sta funzionando a pieno regime.

E quindi (quanti quindi, quante conseguenze fondamentali seguono da questo esperimento!) scopriamo che il campo elettrico e il campo magnetico sono la stessa cosa! Sono la stessa entità che a volte ci appare soltanto come campo elettrico, a volte soltanto come campo magnetico, e a volte come una mistura dei due. In realtà stiamo osservando sempre la stessa cosa, quella cosa che chiamiamo, ma guarda che fantasia, campo elettromagnetico. E quindi (ancora!) scopriamo che il campo elettromagnetico deve la sua esistenza alla Teoria della Relatività, e è un tutt'uno con essa. E siccome il campo elettromagnetico si propaga tramite onde elettromagnetiche, e la luce è un'onda elettromagnetica, scopriamo che l'esistenza della luce e il modo in cui si propaga sono un tutt'uno con la Teoria della Relatività. Non è un processo di sintesi fantastico?

Quindi quando attacchiamo con una piccola calamita un foglietto sul frigo, per ricordarci di scongelare le bistecche, ricordiamoci che se Einstein avesse "sbagliato tutto", quel foglietto cadrebbe. Magari un giorno si scoprirà che in certe condizioni particolari la Teoria della Relatività smette di essere valida. Chissà, non si puo' mai dire, la scienza ci ha abituato a grosse sorprese. Anzi, magari scoprissimo una cosa del genere, perché implicherebbe un bel po' di lavoro nuovo per cercare di capirlo! Ma nel frattempo possiamo stare certi che Einstein se la sta spassando, e di sicuro non soffre di stress.


(1) All'interno di una calamita gli atomi si comportano come se fossero tanti mini-circuiti di corrente tutti orientati allo stesso modo. Il magnetismo della calamita è pertanto originato in ultima analisi da correnti elettriche allo stesso modo dell'esempio che abbiamo descritto.