Pubblicata il 20 marzo 1916 sugli Annalen der Physik, la Teoria della Relatività ha cambiato il mondo
di Mariano Cadoni (professore di Fisica Teorica – Università degli Studi di Cagliari) e Matteo Tuveri (fisico, post-doc presso la sezione di Cagliari dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Cagliari)
Il secolo scorso si potrebbe ricordare come il secolo delle rivoluzioni scientifiche e Albert Einstein ne è stato un protagonista assoluto. Dalla teoria della relatività alla meccanica quantistica ed alla fisica statistica, i suoi scritti hanno lasciato un segno indelebile su tutto il pensiero scientifico moderno.
Il lavoro di Einstein prende forma negli anni della cosiddetta “crisi della fisica classica”. A partire da fine Ottocento, i principi della relatività galileiana, la meccanica di Newton e l’elettromagnetismo costituivano il corpus scientifico su cui si basava la descrizione dei fenomeni fisici. Nonostante ciò, tali teorie non spiegavano perché, nel caso di alcuni esperimenti sul magnetismo, osservatori differenti in moto l’uno rispetto all’altro dessero spiegazioni diverse. Questa asimmetria poneva i fisici di fronte a delle questioni fondamentali. Se da un lato veniva esclusa la possibilità di riscrivere completamente le leggi fondamentali della natura, dall’altro si tentava di reintrodurre vecchi concetti aristotelici, come quello dell’etere, per trovare un sistema di riferimento privilegiato che accertasse la compatibilità di tutte le leggi fisiche.
Abbandonata l’ipotesi dell’etere grazie agli esperimenti di Michelson e Morley (1881-1887), per poter risolvere la discrepanza tra teoria ed esperimento fu evidente la necessità di una rivoluzione del pensiero scientifico. Fu così che nel 1905, suo annus mirabilis, Albert Einstein pubblicò un lavoro intitolato Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento. Si trattava della Teoria della relatività speciale, la teoria che ridefinisce il concetto di tempo e della sua misura e studia il comportamento dei corpi in movimento.
Il pensiero scientifico novecentesco si reggeva sulla nozione di tempo assoluto: tutti gli osservatori misurano il tempo allo stesso modo. Secondo la relatività speciale, il tempo non è più assoluto ma relativo: osservatori diversi misurano il tempo in modo differente l’uno dall’altro. Non solo: la teoria afferma che spazio e tempo sono legati, l’uno dipende dall’altro.
La formulazione di una nuova dinamica che riuscisse a conciliare la meccanica dei corpi e
l’elettromagnetismo implicava una ridefinizione della misura del tempo. Ciò permise ad Einstein di estendere il concetto di relatività anche ai fenomeni elettromagnetici, ristabilendo la simmetria richiesta. Ne consegue il principio di relatività: le leggi fisiche hanno la stessa forma per tutti gli osservatori. L’unificazione della teoria di Newton e quella di Maxwell si completò con l’aggiunta di un principio fondamentale della natura: la velocità della luce è costante in tutti i sistemi di riferimento.
La relatività speciale non fu facilmente accolta nella comunità scientifica dell’epoca, nonostante l’eleganza e la potenza delle sue previsioni in perfetto accordo con i risultati sperimentali. Inoltre, la teoria ingloba le leggi di Newton e la relatività di Galileo. Pensare che spazio e tempo siano intimamente legati, che un osservatore che si muove a velocità prossime a quelle della luce possa percepire lo spazio intorno a sé come contratto e misurare un tempo dilatato rispetto a un osservatore fermo sembrava fantascientifico. Persino la formula più conosciuta anche ai giorni nostri, E=mc2, che stabilisce che massa e energia di un corpo sono equivalenti, lasciava perplessi i fisici dell’epoca.
Eppure, la relatività speciale di Einstein ha posto le basi per la formulazione della relatività generale e dello sviluppo poderoso della fisica delle particelle elementari.
La generalizzazione della relatività speciale allo spazio-tempo curvo ha portato Einstein a
formulare nel 1916 la teoria della relatività generale. A partire da questi principi siamo arrivati a capire come la massa dei corpi deforma lo spazio-tempo, che esistono i buchi neri e le onde gravitazionali.
Einstein è stato determinante anche per la formulazione della meccanica quantistica contribuendo, per esempio, alla comprensione che luce e materia sono composte da “entità fondamentali”, i quanti, e che si comportano a volte come onde e a volte come particelle.
Grazie alle sue teorie siamo arrivati alla costruzione dei grandi esperimenti come il CERN di Ginevra per lo studio dei costituenti fondamentali dell’universo, all’invenzione del GPS, alle nanotecnologie contenute in cellulari e computer e alla medicina nucleare (risonanza magnetica e PET). Non solo Einstein ha dato un contributo fondamentale alla formulazione delle teorie che hanno rivoluzionato il pensiero scientifico, ma le sue intuizioni hanno contribuito in maniera significativa al progresso della nostra civiltà.
