La teoria della relatività di Einstein unifica i due tradizionali concetti fisici di spazio e tempo in un unico concetto spazio – temporale. Nei diversi modi in cui si manifesta il mondo reale, sin dall’antichità la materia ha rappresentato la “sostanza” mentre lo spazio e il tempo hanno rappresentato la “forma”. Da questo modo di percepire il mondo ebbe origine la geometria, la scienza che descrive con elegante perfezione uno spazio statico e vuoto e che divenne il “modello” a cui si adeguarono via via tutte le scienze (e non solo le scienze). Presupposto irrinunciabile per ogni riflessione scientifica divenne l’esistenza di uno spazio assoluto e di un tempo altrettanto assoluto, indispensabile per descrivere il mutamento della realtà.

In questo schema, ogni fenomeno fisico (“evento”) venne caratterizzato mediante variabili che individuano il luogo (“spazio”) e l’istante (“tempo”) in cui esso avviene. Lo spazio viene così ridotto a un insieme infinito di terne di distanze da un punto O (origine) lungo una data direzione (misurate con un regolo-campione), in quanto il luogo in cui si verifica un evento viene determinato rispetto a un sistema di riferimento arbitrario (in genere una terna di assi cartesiani con origine in O).

Allo stesso modo, il tempo viene ridotto a un insieme di intervalli temporali, poiché l’istante in cui avviene l’evento viene determinato attraverso la misura del ritardo tra l’evento stesso e un evento scelto come riferimento, il che si fa utilizzando un fenomeno periodico (cioè un orologio) e contando quanti periodi (o frazione di periodo) intercorrono fra i due eventi. La definizione di spazio e di tempo, così delineata, pone due importanti problemi:

• Tra tutti i sistemi di riferimento che si possono scegliere esiste un sistema privilegiato, ovvero esiste un sistema di riferimento assoluto?

• L’intervallo di tempo che intercorre tra due eventi dipende dallo stato di moto del sistema di riferimento a cui appartiene l’orologio, ovvero, esiste un tempo assoluto?

  Il problema dell’equivalenza dei sistemi di riferimento fu affrontato per la prima volta da Galileo che individuò i sistemi di riferimento (sistemi inerziali o sistemi galileani) rispetto ai quali i fenomeni meccanici possono essere descritti mediante i principi della dinamica. Galileo enunciò anche l’equivalenza tra due sistemi di riferimento inerziali in moto uniforme l’uno rispetto all'altro (principio di relatività galileiana). Il problema del tempo assoluto (in particolare il problema della “simultaneità” tra due eventi lontani) non venne invece mai messo in discussione. Quando, nel XIX° secolo, J.C. Maxwell unificò i fenomeni elettrici e quelli ottici nella sua teoria dell’elettromagnetismo, stabilì anche che gli stessi fenomeni si propagano nello spazio attraverso onde: nella visione meccanicistica dell’epoca, occorreva quindi un “mezzo” che riempisse tutto lo spazio per consentire la propagazione di tali onde. Questo mezzo - individuato nel mitico etere - veniva così ad assumere il ruolo di riferimento spaziale assoluto, rispetto al quale - misurando la velocità della luce - doveva essere possibile misurare, per esempio, anche il movimento della Terra. Gli esperimenti di grande precisione condotti a questo scopo da A.A. Michelson ed E.W. Morley (1887) non riuscirono però a mettere in alcun modo in evidenza il moto della Terra rispetto all’etere. Per non abbandonare l’idea di etere vennero formulate varie ipotesi di tipo geometrico, la più importante delle quali era la concentrazione delle lunghezze in movimento (contrazione di Lorentz-Fitzgerald). Agli inizi del XX° secolo, quindi, mentre la meccanica ne escludeva l’esistenza, l’elettrodinamica e l’ottica sembravano richiedere l’esistenza di un riferimento assoluto (che però sfuggiva all’osservazione). Nel 1905 A. Einstein diede un taglio netto alla questione del riferimento assoluto (e, quindi, dell’etere) attraverso due ipotesi rivoluzionarie che costituivano la base della cosiddetta “Relatività Speciale” (o “Ristretta”):

• Le leggi dell’elettrodinamica e dell’ottica sono valide per gli stessi sistemi di riferimento per cui è valida la meccanica (generalizzazione della relatività galileiana);

• La velocità della luce nel vuoto è costante e non dipende dallo stato di moto della sua sorgente (si elimina così ogni riferimento all’etere).

  Da queste due ipotesi derivano due conseguenze importanti:

• La relatività della simultaneità (e quindi l’assenza di un tempo assoluto);

• La relatività delle lunghezze (che spiegava la contrazione di Lorentz-Fitzgerald).

  Applicando la teoria della relatività alle leggi della meccanica, Einstein giunse, tra l’altro, a dimostrare l’equivalenza tra massa ed energia racchiusa nella famosa formula: E=mc². E’ importante ricordare che nella teoria della relatività speciale gli eventi non vengono più riferiti a un sistema tridimensionale di coordinate cartesiane e a un tempo, bensì a uno spazio quadridimensionale (spazio-tempo di Minkowski) in cui la quarta coordinata è il tempo. Partendo dal presupposto che le leggi della natura devono essere valide anche nei sistemi non inerziali, qualche anno dopo Einstein allargò la sua teoria anche ai sistemi di riferimento in moto qualsiasi (“Relatività Generale”). Questo allargamento della teoria portò a confermare l’equivalenza tra la massa valutata rispetto all’inerzia (“massa inerziale”) e la massa valutata rispetto alla gravitazione (“massa gravitazionale”). Ma portò anche a stabilire che lo spazio è curvo e che la sua curvatura, punto per punto, dipende dalla presenza o meno di masse. Dalla curvatura dello spazio deriva anche la questione della struttura dell’universo, che risulterebbe chiuso ma in espansione, in accordo con le scoperte astronomiche fatte proprio in quegli stessi anni. La teoria della relatività generale ebbe quasi subito una clamorosa conferma grazie alla già citata scoperta dell’incurvamento dei raggi luminosi in prossimità di corpi celesti di massa elevata. Un’altra importante conferma della sua validità venne dalla possibilità di spiegare finalmente il moto del perielio di Mercurio, moto che nessuna teoria tradizionale era riuscita sino ad allora a spiegare. La teoria della relatività generale ha ricevuto ulteriori innumerevoli conferme ed è oggi pienamente accettata, tanto da costituire il linguaggio di tutta la fisica moderna. Molto più discusse sono invece le elaborazioni successive di Einstein. Insoddisfatto perché gravitazione ed elettromagnetismo entravano nella teoria indipendentemente, cercò invano molti metodi matematici che gli consentissero l’unificazione delle due grandi forze della natura. Questa ricerca, peraltro perseguita anche da altri scienziati dell'epoca (per esempio E. Schrodinger) non ha portato a nessun risultato accettabile.

 (tratto da: “A. Einstein: “Il significato della relatività” ”)