«Il mondo è cambiato molto di più negli ultimi cent’anni che in qualsiasi altro secolo della storia. La ragione di questo non è politica o economica, ma tecnologica. Le tecnologie sono state generate dai progressi nella scienza di base. E nessun altro scienziato rappresenta questi progressi meglio di Albert Einstein» (Stephen Hawking).
La relatività generale, una delle teorie più affascinanti che ha rivoluzionato il modo stesso di concepire l’universo compie 105 anni.
Nel 1915 infatti il Fisico tedesco Albert Einstein pubblico la sua “Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie” che, tradotto, significa “La fondazione della teoria della relatività generale”.
Tutto nacque però 10 anni prima quando Einstein elaborò la “teoria della relatività ristretta” evidenziando il conflitto tra le equazioni di Maxwell , che rappresentano le leggi fondamentali dell’interazione elettromagnetica, e la relatività galileiana della meccanica classica.
In seguito però Einstein scoprì che tale formulazione non era compatibile con quanto la legge di gravitazione universale formulata quasi tre secoli prima da Isaac Newton.
Per questo motivo Einstein ha rivoluzionato il concetto stesso di gravità formulando una equazione di campo, che è la base fondante della relatività generale, che mette in relazione la forza di attrazione gravitazionale alla curvatura dello spazio-tempo, una sorta di struttura quadri dimensionale composta da tre dimensioni spaziali ed una temporale causata dalla presenza di ingenti quantità di massa.
La Teoria della Relatività è talmente rivoluzionaria da essere diventata celebre anche tra i non addetti ai lavori. Eppure, spesso la portata rivoluzionaria della Teoria della Relatività rimane difficile da digerire.
Per capirla meglio, ecco dieci domande e risposte molto utili da sapere e facili da assimilare e comprendere.
1. Relatività generale, relatività generale e come ha fatto Einstein a formulare tale teoria
1. Quando si parla della Teoria della Relatività, solitamente si fa riferimento alla teoria della relatività generale. Qual è la differenza con la teoria della relatività ristretta?
La differenza è che la relatività ristretta non prende in considerazione la presenza delle forze gravitazionali.
C’è da dire che tali forze sono di intensità trascurabile rispetto a quelle che intervengono in molti esperimenti.
Quindi, in questi casi, la relatività ristretta è assolutamente sufficiente a descrivere correttamente la situazione sperimentale.
2. Come ha fatto Einstein a formulare la Teoria della Relatività generale?
Secondo la descrizione Newtoniana, la gravità agisce istantaneamente sui corpi celesti, cioè l’azione della gravità si propaga nell’Universo con una velocità infinita.
Poiché ciò non soddisfa i requisiti richiesti dalla relatività ristretta, che pone come limite massimo la velocità della luce,
Einstein ha sentito l’urgenza di una nuova formulazione della teoria della gravitazione che tenesse conto di questo fatto. Tale formulazione è la Relatività Generale.
2. La necessità della teoria e il suo postulato base
3. Perché è stata necessaria una teoria che andasse oltre la meccanica classica?
Ben prima delle questioni che riguardano la forza di gravità, la necessità si è manifestata con le equazioni di Maxwell, enunciate nella seconda metà dell’Ottocento.
Fin da allora si è capito che tali equazioni, che descrivono correttamente le proprietà dei campi elettromagnetici, non potevano essere inquadrate nella formulazione classica della meccanica.
Questa esige, infatti, che le equazioni siano invarianti rispetto alle trasformazioni di Galileo, mentre le equazioni di Maxwell sono invarianti rispetto a trasformazioni più complicate, le trasformazioni di Lorentz.
4. Qual è il postulato base della Teoria della Relatività Generale?
Il postulato fondamentale, basato sull’osservazione sperimentale, è che la velocità della luce sia una costante universale, cioè che abbia sempre lo stesso valore indipendentemente dalle condizioni nelle quali viene misurata.
Tale postulato è in accordo con il Principio di Relatività, secondo cui le leggi della fisica sono sempre le stesse per qualsiasi osservatore.
3. Cosa ha dimostrato Einstein e qual è il suo significato?
5. Cosa ha dimostrato Einstein con la Teoria della Relatività Generale?
Con la meccanica classica si riteneva che la luce si propagasse nel vuoto sempre in linea retta.
Ebbene, Einstein ha dimostrato che non è così: la luce compie un percorso che in generale è "guidato” dalla struttura dello spazio-tempo, struttura che a sua volta è determinata dalla presenza dei corpi presenti nell’Universo.
Allo stesso modo, si pensava che il tempo scorresse sempre con la medesima cadenza indipendentemente dalle condizioni.
In altre parole, si credeva che lo scorrere del tempo fosse un fenomeno, per così dire, “assoluto”.
Einstein ha invece dimostrato che, per esempio, il tempo scorre più lentamente in presenza di campi gravitazionali progressivamente più intensi.
6. Qual è il significato della più celebre formula della fisica, E = me2?
Significa che energia (E) e massa (m) sono la stessa grandezza fisica.
Quindi, la massa può trasformarsi in energia e l’energia trasformarsi in massa; c2, ovvero il quadrato della velocità della luce (c), non è che il fattore di proporzionalità tra i valori numerici di E e di m.
Poiché c2 è un numero enorme, si evince che alla trasformazione di una seppure piccolissima massa corrisponde la presenza di una grandissima energia.
Per esempio, la trasformazione di un solo grammo di materia produce l’energia che si sviluppa dall’esplosione di ventimila tonnellate di tritolo.
4. I dubbi iniziali sulla validità della teoria e il ruolo dell’italiano Gregorio Ricci Curbastro
7. La Teoria della Relatività Generale fu pubblicata nel 1916, ma subito molti ne misero in dubbio la validità. Tutto questo fino all’eclissi totale di Sole del 1919. Perché? Cosa accadde?
La Relatività Generale prevede che, in presenza di un campo gravitazionale, la luce venga deflessa dalla propagazione rettilinea.
Ebbene, durante un’eclissi totale di Sole, le stelle sono visibili in pieno giorno e possiamo osservarne una che vediamo in prossimità del Sole.
In questo caso, la luce proveniente dalla stella “sfiora” la superficie del Sole e, quindi, passa proprio per un campo gravitazionale molto intenso.
Se c’è una deflessione della traiettoria percorsa dalla luce, vedremo la stella in una posizione leggermente diversa da quella che le compete tra le costellazioni, quando la stella è visibile di notte. È proprio quello che si osservò durante l’eclissi del 1919.
8. Quanto e perché è stato importante l’italiano Gregorio Ricci Curbastro per arrivare a formulare la Teoria della Relatività?
La formulazione rigorosa della relatività generale richiede strumenti matematici molto raffinati, come il calcolo tensoriale, del quale Ricci Curbastro (nella foto in alto a sinistra) è stato uno dei padri.
5. Verifiche e superamento
9. A quali verifiche è stata sottoposta in oltre cento anni la Teoria della Relatività Generale?
A parte la deflessione luminosa, un’importante verifica è stata la spiegazione del fenomeno di precessione del perielio di Mercurio nella rivoluzione intorno al Sole.
Mercurio non ripercorre ogni volta la stessa orbita ellittica come previsto dalla meccanica classica e verificato in pratica per tutti gli altri pianeti, Terra inclusa.
Per anni si è trattato di un fenomeno capace di rappresentare un vero e proprio mistero, ma la soluzione è arrivata con la Relatività Generale, che mostra l’esistenza di quest’anomalia in presenza di un campo gravitazionale molto intenso.
Ebbene, Mercurio si trova proprio in tali condizioni, in quanto pianeta più vicino al Sole e, quindi, soggetto più di ogni altro all’azione della nostra stella.
Infine, possiamo fare ogni giorno un’importante verifica in automobile! Il navigatore satellitare (e il sistema di satelliti GPS al quale fa riferimento) funziona proprio perché è progettato sulla base delle implicazioni previste dalla Teoria della Relatività.
Per esempio, esso tiene conto del fatto che il tempo scorre più velocemente sui satelliti in orbita di quanto non scorra qui sulla superficie terrestre, dove il campo gravitazionale è più intenso.
10. E' necessario che la teoria della relatività venga superata? Come?
Allo stato attuale delle conoscenze non si vede la necessità di “superare” la Teoria della Relatività.
Di sicuro esistono alcuni problemi ancora aperti che la riguardano.
Per esempio, quello di elaborare una teoria quantistica della gravitazione (una teoria capace di conciliare la Relatività Generale con la meccanica quantistica).
