Cos'è la teoria della relatività?

Prima della nascita della teoria della relatività, si pensava che la luce, essendo un'onda, necessitasse di un mezzo per propagarsi, e quel mezzo era noto come etere. Inoltre, la teoria che descriveva i fenomeni luminosi sembrava assumere una forma diversa se si considerava che gli osservatori si muovessero a una certa velocità rispetto all'etere. Nel 1887, i fisici americani Albert Michelson ed Edward Morley condussero un esperimento per misurare la velocità del moto della Terra rispetto all'etere. Il risultato indicò che la luce si propagava alla stessa velocità in tutte le direzioni sulla superficie terrestre, il che mise in discussione l'esistenza stessa dell'etere. Questo esperimento sconcertò la comunità scientifica fino a quando, nel 1905, Einstein sviluppò la Teoria della Relatività Speciale , che si basa su due postulati sull'invarianza delle leggi fisiche, ovvero su come la natura venga descritta in modo simile indipendentemente da chi la osserva.

Il primo postulato o principio di relatività stabilisce che le leggi della fisica (esclusa per il momento la gravitazione) sono le stesse di quelle osservate da osservatori inerziali, cioè osservatori che si muovono a velocità relativa costante. Sebbene la validità delle leggi di Newton per diversi osservatori di questo tipo fosse nota, se la luce necessitasse di un mezzo per propagarsi, questo etere potrebbe essere considerato un sistema di riferimento assoluto, e i fenomeni luminosi potrebbero permetterci di determinare la velocità di propagazione di un osservatore inerziale rispetto all'etere.

Riflettendo sul fatto che l'etere era diventato superfluo, Einstein concluse che le leggi dell'elettromagnetismo (che descrivono la luce) dovessero valere anche per tutti gli osservatori. Inoltre, il secondo postulato afferma che la velocità della luce nel vuoto è la stessa misurata da qualsiasi osservatore inerziale. Ciò implica che è impossibile per un osservatore inerziale viaggiare a quella velocità. Se un veicolo spaziale viaggiasse alla velocità della luce rispetto a un altro osservatore ed emettesse un impulso di luce con un laser nella stessa direzione di moto, quell'osservatore vedrebbe che il veicolo spaziale e la luce rimangono nello stesso punto, muovendosi alla stessa velocità, ma dal veicolo spaziale vedrebbe che la luce si sta allontanando da esso, il che è una contraddizione.

La combinazione di questi postulati porta ad alcuni risultati controintuitivi. Due eventi che sono simultanei per un osservatore non lo sono per un altro osservatore in movimento rispetto a lui, perché il tempo trascorso tra gli eventi si dilata quando viene osservato da un osservatore in movimento rispetto a un altro osservatore per il quale si verificano nella stessa posizione, mentre la lunghezza degli oggetti si contrae quando viene osservata da un osservatore in movimento rispetto all'oggetto. Ovviamente, questi effetti sono trascurabili quando le velocità coinvolte sono molto inferiori alla velocità di propagazione della luce, ma cambiano radicalmente la nostra comprensione dello spazio e del tempo. Sebbene gli intervalli spaziali e temporali possano avere valori diversi a seconda di chi li misura, è possibile definire un intervallo spazio-temporale che sia lo stesso per tutti gli osservatori. La fisica si svolge nello spazio-tempo che definiamo attraverso questi intervalli, e questo ha profonde implicazioni.

Ma tutta la fisica si svolge nello spazio-tempo? La teoria della relatività speciale non era compatibile con la descrizione newtoniana della gravità. Il grande salto concettuale della Teoria della Relatività Generale , formulata da Einstein nel 1915 , consistette nel comprendere che la gravità non è un fenomeno mediato da un'altra forza contenuta nello spazio-tempo, ma è dovuta proprio alla curvatura dello spazio-tempo prodotta dalle masse in esso contenute. Lo spazio-tempo viene promosso da una struttura inerte in cui si verifica la fisica a una grandezza fisica a sé stante.

I principi alla base della Teoria della Relatività Generale sono il principio generale di covarianza e il principio di equivalenza. Il primo generalizza il principio di relatività, poiché considera l'equivalenza delle leggi della fisica per tutti gli osservatori e in presenza di gravità. Il principio di equivalenza fu introdotto nella fisica newtoniana e stabilisce l'equivalenza tra la massa inerziale, che misura la resistenza di un oggetto a una variazione del suo moto, e la massa gravitazionale, che descrive il modo in cui un corpo sperimenta il campo gravitazionale. Questa relazione è una conseguenza dell'universalità della caduta libera, ovvero che tutti i corpi accelerano allo stesso modo in presenza di gravità e in assenza di altre forze.

Tuttavia, Einstein andò oltre, riflettendo sul fatto che la fisica in un laboratorio uniformemente accelerato in assenza di gravità dovrebbe essere la stessa della fisica in un altro laboratorio immerso in un campo gravitazionale uniforme. A seguito di questa riflessione, si può tentare di comprendere i fenomeni gravitazionali in termini di quantità utilizzate per descrivere il moto nello spazio, il che suggerisce una comprensione della gravità come fenomeno geometrico.

Il principio di equivalenza nel contesto relativistico ha diverse formulazioni. Il cosiddetto principio di equivalenza einsteiniano afferma che i fenomeni fisici non gravitazionali (e quelli con effetti trascurabili sullo spazio-tempo) non sono influenzati, in una piccola regione di spazio e in nessun punto al suo interno, dalla presenza di un campo gravitazionale.

Ciò implica che in qualsiasi punto dello spazio e in qualsiasi momento, entro una regione sufficientemente piccola, la descrizione della natura fornita dalla relatività speciale può essere recuperata. Pertanto, la teoria della relatività generale generalizza la teoria della relatività speciale in presenza di gravità.

Prado Martín Moruno ha conseguito un dottorato di ricerca in fisica, è ricercatore e professore presso il Dipartimento di fisica teorica dell'Università Complutense di Madrid .

Coordinamento e redazione: Victoria Toro .

Domanda posta da José Ortega Carrascal .

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