venerdì 12 giugno 2015

Che cos'è e cosa non è la Teoria della Relatività.



Vero e falso in quello che dicono i media sulla Teoria della Relatività



Quest'anno ricorrono 100 anni dalla formulazione della Teoria della Relatività Generale di Einstein, e 110 anni dall'articolo originario della Teoria della Relatività Ristretta.  La ricorrenza diventa il pretesto per parlare sui media di Relatività, a volte in modo corretto e a volte, come spesso accade, a sproposito. Per cui ecco, per un non addetto ai lavori, una lista sintetica di cosa è e cosa non è la Teoria della Relatività, per districarsi nel rutilante mondo della scienza divulgata.

La Teoria della Relatività non è un'unica teoria. Esiste una Relatività Ristretta e una Relatività Generale. La prima riguarda i corpi soggetti a moto rettilineo e uniforme (i cosiddetti "sistemi inerziali") mentre la seconda riguarda qualunque tipo di moto. Tuttavia la Relatività Generale è sostanzialmente una nuova teoria della gravitazione che ingloba la teoria classica di Newton come caso speciale di situazioni "tranquille", come quasi ovunque accade nel nostro sistema solare.  Vero è che, in linea di principio, si può considerare la Relatività Ristretta un caso particolare della Relatività Generale, anche se nessuna persona sana di mente partirebbe dalle equazioni della Relatività Generale per descrivere il moto di una particella in un acceleratore.

La Teoria della Relatività non è soltanto una teoria. Alcuni credono che il termine "teoria" renda la Relatività soltanto un'ipotesi, una possibilità, un'ardita estrapolazione mentale tutt'altro che verificata dagli esperimenti. E invece 100 e passa anni di scienza hanno rivoltato la Relatività come un calzino, in particolare la Relatività Ristretta, tanto che essa è ormai un tutt'uno con gran parte dei fenomeni della fisica, dalla corrente elettrica all'antimateria. Non esiste esperimento di alcun tipo che abbia evidenziato discrepanze dalle previsioni della Relatività Ristretta. Non solo gli acceleratori di particelle e il GPS, tanto per fare alcuni esempi, non potrebbero funzionare se la Relatività fosse sbagliata, ma nemmeno una semplice lampadina. Dire a un fisico, oggi, che la Relatività possa essere banalmente sbagliata, come qualcuno ogni tanto scrive, è come insinuare a un elettricista che la corrente elettrica non esista. Anche la Relatività Generale ha ricevuto conferme sperimentali strabilianti, sebbene il suo naturale campo di applicazione sia nei fenomeni astrofisici estremi, come ad esempio le pulsar e i buchi neri, cosa che rende per forza di cose più complessa la sua verifica sperimentale.  Nonostante tutto questo esistono alcuni la cui missione primaria nella vita sembra essere quella di dimostrare che la Relatività è sbagliata (vedi ad esempio qui). Ognuno ha le sue fisse...

Lo spostamento del periastro di una pulsar: i dati sperimentali
sovrapposti alla previsione della teoria della relatività generale.

La teoria della relatività non è un aspetto marginale della fisica. Si potrebbe credere che la Relatività sia una teoria marginale nell'ambito di ciò che si utilizza normalmente in fisica. Astrusa e geniale quanto vi pare, ma sostanzialmente di poca utilità pratica. In fin dei conti andare a velocità prossime a quelle della luce o vivere nei paraggi di un buco nero sono attività talmente estreme e fuori della normalità che, si potrebbe pensare, rendano la Relatività uno passatempo per fisici che hanno perso il contatto con la realtà. E invece la Relatività Ristretta è un tutt'uno con le leggi fondamentali della fisica, a partire dall'elettromagnetismo classico (la Relatività Ristretta è l'elettromagnetismo classico), con la fisica nucleare e con tutti i processi microscopici, mentre la Relatività Generale è lo strumento indispensabile per descrivere l'universo su grande scala.

La Teoria della Relatività non è una teoria filosofica. Nonostante a certi filosofi della domenica affascini la cosa, la Relatività è una teoria estremamente attaccata ai reali fenomeni fisici e non ha nessuna velleità di effettuare voli pindarici su questioni che non sono strettamente attinenti ai fenomeni sperimentabili tramite il metodo scientifico. Il primo articolo scritto da Einstein sull'argomento non si intitolava "Sulle questioni dello spazio e del tempo", né apriva la porta a disquisizioni scientificamente mal definite, ma aveva il titolo molto concreto di "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento". Niente che lasciasse spazio a divagazioni di tipo metafisico, quindi.

La Teoria della Relatività Ristretta è facile da capire. Contrariamente a come spesso ci viene presentata, cioè il prodotto di un genio che pochi al mondo sono capaci di comprendere, la Relatività Ristretta è concettualmente e matematicamente sorprendentemente semplice, e comprensibile nei dettagli anche a uno studente con le conoscenze matematiche dell'ultimo anno di liceo.

La Teoria della Relatività Generale è invece una teoria difficile. E questo per la matematica che utilizza, che è il calcolo tensoriale, ovvero una cosa tutt'altro che banale. Lo stesso Einstein spese molti anni nell'incapacità di formalizzare quello che aveva intuito concettualmente, proprio perché non conosceva gli strumenti matematici adeguati. Strumenti della cui esistenza imparò quasi casualmente, e il cui apprendimento lo costrinse, sue testuali parole, a uno sforzo enorme. E se ha fatto fatica lui...

La Teoria della Relatività Ristretta era già nell'aria prima di Einstein. C'erano già tutti gli ingredienti pronti, e tutte le osservazioni sperimentali sull'invarianza della velocità della luce indipendentemente dal moto dell'osservatore. E le trasformazioni di Lorentz, che sono alla base della relatività ristretta, esistevano già (non a caso si chiamano di Lorentz, e non "di Einstein"). Solo che nessuno aveva ancora capito il significato fisico di quello che si era scoperto. Einstein ebbe il merito di collegare tutto assieme e di intuire le implicazioni fisiche di ciò che si era appreso dalle osservazioni sperimentali. Probabilmente, quindi, la Relatività Ristretta sarebbe stata scoperta a breve anche senza Einstein.

La Teoria della Relatività Generale era tutt'altro che nell'aria prima di Einstein. Al contrario della Relatività Ristretta, la Relatività Generale rappresentò qualcosa di realmente innovativo e imprevisto nel panorama della fisica dell'epoca. L'interpretazione da parte di Einstein del campo gravitazionale come una distorsione dello spazio-tempo è radicalmente nuova, e probabilmente senza Einstein avrebbe dovuto attendere parecchio prima di venire alla luce.

E infine, last but not least, la Teoria della Relatività non dice che "tutto è relativo!" Anzi, la frase è del tutto priva di senso, perché la Relatività rappresenta le conseguenze del fatto che le leggi fisiche restano le stesse, non cambiano, indipendentemente dal sistema di riferimento da cui le si osservano. Sulla terra, su Plutone, su un aereo supersonico o sulla schiena di un bradipo le leggi della natura sono sempre uguali, e sempre scrivibili con le stesse formule. Quindi, eventualmente, dovremmo dire che la Relatività afferma che "Niente è relativo"!



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