TEORIA DELLA RELATIVITA'

Tutte le più importanti convinzioni circa la concezione del mondo espressi da Newton, ossia la nozione di spazio e di tempo assoluti, e quella delle particelle solide elementari, sono state sconvolte, nei primi decenni del 1900, dalla teoria della relatività di Albert Einstein (1879-1955) e dallo sviluppo della fisica atomica.

Secondo la fisica classica, da Euclide al modello meccanico di Newton dell'universo, lo spazio geometrico era concepito come caratterizzato da rette ed angoli retti e fondamentalmente uniforme in ogni suo punto.
Lo spazio era assoluto, non aveva alcuna relazione con l'esterno, e rimaneva sempre eguale e perfettamente immobile, mentre tutte le variazioni che avvengono nel mondo fisico erano descritte in funzione del tempo, anche lui assoluto, e la materia era completamente inerte e senza vita.

Ma le scoperte verificatesi alla fine del 1800 circa i fenomeni elettrici e magnetici si dimostrarono non interpretabili con le teorie di Newton, che risultarono incomplete ed in ogni caso applicabili soltanto ad un numero limitato di fenomeni. Esse risultarono ancora valide per il moto di corpi solidi, quindi accettabili soltanto per corpi costituiti da un grande numero di atomi ed in presenza di velocità molto più piccole di quella delle onde elettromagnetiche (e della luce). Infatti quando si prendono in esame corpi con pochi atomi, la "meccanica classica" di Newton deve essere sostituita dalla "meccanica quantistica", e più la velocità è vicina od eguale a quella delle onde elettromagnetiche (e della luce), si deve necessariamente ricorrere alla "teoria della relatività" di Einstein.

Einstein, con la sua "teoria della relatività speciale" del 1905, ha creato una base teorica comune per elettrodinamica e meccanica, che ha come fondamento il concetto di spazio non tridimensionale e del tempo strettamente connesso allo spazio, e non un'unità separata; questa teoria è ormai definitivamente acquisita dalla fisica moderna.
Lo spazio ed il tempo, legati fra loro, formano una nuova entità, continua e quadridimensionale, lo "spazio-tempo", con il quale Einstein ha completamente abbandonato il concetto newtoniano di "spazio assoluto".
Einstein ha introdotto il concetto che la massa è una forma di energia, con la famosa formula

dove "c" è la velocità delle onde elettromagnetiche (e della luce).

La velocità della luce è la base della teoria della relatività ed a questa teoria dobbiamo rivolgerci quando prendiamo in esame fenomeni fisici nei quali siano presenti velocità prossime a quelle delle onde elettromagnetiche, e quindi della luce, come i fenomeni elettromagnetici. Infatti le velocità elevatissime presenti nel mondo delle particelle elementari possono causare delle deformazioni di importanza determinante delle particelle stesse, rilevabili con esattezza soltanto applicando i principi della teoria della relatività.
La forza di gravità, secondo Einstein, provoca una "curvatura" dello spazio e del tempo perchè ovunque sia presente una massa, ad esempio una stella od un pianeta, lo spazio circostante viene "curvato" in modo dipendente dalla massa in questione.
Per dare un'idea di quanto afferma Einstein si deve ricorrere alla rappresentazione di un piano bidimensionale che viene deformato dalla massa di una stella, che incurva lo spazio tridimensionale nello stesso modo in cui incurva quello bidimensionale.

Questa curvatura dello spazio si verifica non solo in presenza di masse e di particelle, ma anche di raggi luminosi; come rappresentato nella figura, una particella o un fotone si muovono in linea retta se il piano non è deformato, ma subiscono invece una deviazione della loro traiettoria in prossimità del piano incurvato.
In questo spazio curvo la geometria euclidea non può più essere applicata, come la geometria piana bidimensionale non è valida per la superficie di una sfera.

Tracciatura di un quadrato su un piano e su una sfera

Supponiamo infatti di dover disegnare un quadrato di 1 metro di lato su una superficie piana: la soluzione più semplice è tracciare un segmento di retta lungo un metro, poi un secondo segmento di eguale lunghezza a 90° rispetto al primo, e così via per altre due volte sino a che ci ritroviamo al punto di partenza. Ma questo procedimento di tracciatura di un quadrato non può essere impiegato sulla superficie di una sfera, perchè la geometria euclidea non può essere applicata alle superfici curve.

Prima della teoria della relatività lo spazio veniva misurato solo con la geometria euclidea ed il tempo veniva misurato riferendosi al movimento del sole: i due concetti erano quindi completamente separati. Einstein, invece, ha introdotto il concetto spazio-tempo a quattro dimensioni.

Dato che la teoria della relatività afferma che lo spazio è strettamente connesso al tempo e non può essere separato da esso, anche il tempo viene influenzato dalla "curvatura" dovuta alla presenza di massa, di materia, e quindi scorre non in modo regolare, ma con ritmi differenti a seconda della presenza o meno di masse.

Una conseguenza della teoria della relatività è, ad esempio, il concetto che la lunghezza di un oggetto dipende dal suo moto rispetto all'osservatore, e cambia con la velocità di questo moto, contraendosi (accorciandosi) nella direzione del moto.
Questo effetto di contrazione è stato dimostrato da esperimenti della fisica delle alte energie, durante i quali le particelle, urtandosi ad altissima velocità, perdono la loro forma sferica, appiattendosi e diventando simili a "frittelle".
Facciamo un esempio, per tentare di chiarire un poco questi difficili concetti: un aereo viaggiante a 2500 km/h ha a bordo un precisissimo cronometro; se supponiamo che durante il viaggio, dal decollo all'atterraggio, non vi siano fattori esterni che possano disturbare il suo regolare funzionamento, esso manterrà per tutto il percorso la sua andatura regolare.
Ma Einstein afferma che non è vero, che il cronometro andrà più lentamente perdendo uno 0,00000001 di secondo; se l'aereo avesse volato alla velocità di 50.000km/sec il ritardo del cronometro sarebbe di 50 secondi per ogni ora, e se raggiungesse la velocità delle onde elettromagnetiche (e della luce) di 300.000km/sec resterebbe perfettamente immobile.
Se poi su questo aereo avessimo posto, lungo la direzione di volo, un regolo dell'esatta lunghezza di 1 metro, completamente protetto da tutto, anche dalla resistenza dell'aria, constateremmo che esclusivamente per il fatto di essere in movimento, si accorcerebbe di 0,0000000027mm; se poi l'aereo viaggiasse a 50.000km/sec l'accorciamento sarebbe di 14mm, mentre all'ipotetica velocità della luce il regolo scomparirebbe del tutto. E questa "contrazione" interesserebbe tutto l'aereo, per poi ritornare alla sua lunghezza primitiva al momento dell'atterraggio e della cessazione del movimento.
Ritornando al nostro aereo, se fossimo a bordo quando si verifica la sua "contrazione" avremmo la sensazione che, sia la terra, sia tutto ciò che si trova nella stessa direzione di volo, si raccorciasse e non l'aereo che si comprime, che i motori rallentano, che gli orologi dei paesi che sorvoliamo sono in ritardo.

Questo difficile concetto può essere spiegato prendendo in esame la formula:

T = 1"/ radice quadrata di 1 - V²/C²

dove T è il tempo che la lancetta dei secondi del nostro orologio impiega per spostarsi di uno scatto, mentre 1" corrisponde al tempo di 1 minuto secondo, V è la velocità con la quale ci stiamo spostando nello spazio e C è la velocità della luce.
Se ci spostiamo nello spazio con una velocità V di gran lunga inferiore a quella C della luce, il rapporto fra i loro quadrati è praticamente zero, ed il tempo T assume il valore di 1; quindi il nostro orologio compie uno scatto ogni minuto secondo e tutto è ok. Se però riuscissimo a spostarci nello spazio con una velocità V uguale a quella della luce, il rapporto fra V e C sarebbe uguale a 1, la loro radice quadra uguale a zero ed il tempo T diventerebbe infinito: si raggiungerebbe l'immobilità assoluta!
Se un astronauta partisse per un viaggio fra le stelle, spostandosi con la sua astronave ad una velocità vicina a quella della luce, e se il suo viaggio durasse, ad esempio, 20 anni terrestri, al suo rientro sulla terra per lui potrebbe essere trascorso solo un anno. Questo perchè, mentre viaggiava, i tempi biologici del suo corpo hanno subito un effetto di rallentamento a causa della velocità di spostamento.

Facciamo un altro esempio: un razzo gira attorno alla terra alla fantastica velocità di 290.000km/sec, quasi quella della luce; noi ci troviamo a bordo di un secondo razzo, che viaggia alla stessa velocità del primo, ma in senso contrario. Se osservassimo il primo razzo e la terra, quest'ultima ci sembrerebbe appiattita e ridotta a un quarto del suo diametro, mentre il primo razzo avrebbe mantenuto le sue normali dimensioni. Se invece il secondo razzo, sul quale noi siamo, viaggiasse ad una velocità inferiore del primo, le cose si invertirebbero, ossia la terra apparirebbe nelle sue normali dimensioni, mentre il primo razzo ci sembrerebbe accorciato.

A sinistra: razzo e terra osservati da un secondo razzo viaggiante alla stessa velocità e in senso contrario; a destra: razzo e terra osservati da un secondo razzo viaggiante a velocità inferiore e in senso contrario

Nel 1915 Einstein enuncia la "teoria della relatività generale" che comprende ed amplia la precedente "teoria della relatività speciale", che ci apre orizzonti ancora più strani e irreali.
Immaginiamo di essere a bordo di un razzo, senza problemi di carburante, e di seguire continuamente una rotta rettilinea; bene, secondo la teoria della relatività generale, ad un certo momento ci dovremmo ritrovare, a lungo andare, allo stesso punto di partenza, il che vuol dire che il nostro razzo avrebbe girato per "tutto" l'universo e sarebbe tornato al punto iniziale, perchè lo spazio si è "contratto".

Gli effetti della teoria della relatività ci sembrano molto strani e non sono facilmente comprensibili, perchè noi siamo in grado di osservare soltanto immagini tridimensionali, mentre la teoria di Einstein si basa su un fantastico mondo a quattro dimensioni.