top
logo


Home science _TEMPO RELATIVO_ITA
PDF Stampa E-mail

 

TEMPO RELATIVO autori vari

 

 

Da Newton a Einstein

 

La crisi della fisica newtoniana iniziò negli ultimi decenni del XIX secolo con la scoperta che il tradizionale schema meccanicistico, basato sulla nozione di forza, non riusciva a spiegare una parte del mondo naturale, per esempio i fenomeni elettrici e magnetici (luce, onde radio, onde televisive, raggi X, raggi gamma, raggi cosmici). ‘Forza', per Newton, era un qualsivoglia agente fisico capace di influire dall'esterno (per contatto o attraverso lo spazio) sullo stato dei corpi. La fisica classica, così come spiegava la dinamica dei corpi con il ricorso a forze meccaniche (fenomeni di spinta, urto), allo stesso modo pretendeva di spiegare l'attrazione fra i corpi in base a non meglio precisate forze gravitazionali. E dal momento che queste non agiscono per contatto, ma a distanza, l'idea di forza gravitazionale sembrava implicare la necessità di uno spazio assoluto, indipendente e preesistente ai corpi che eventualmente contiene, uno spazio in cui corpi e forze sono immersi come in una scatola vuota. È vero che queste nozioni di forza e di spazio sono feconde per una fisica dei corpi terrestri; la statica e la dinamica di Newton mantengono la loro validità per il mondo a misura d'uomo. Quando però si ragiona su scala astronomica o con oggetti in movimento a grande velocità (paragonabile a quella della luce) lo schema interpretativo ‘terrestre' si dimostra insufficiente: è necessario riconoscere che non esiste uno spazio assoluto, un sistema di riferimento privilegiato ed esterno ai corpi rispetto al quale operare le misurazioni. Esistono tanti spazi e tanti tempi quanti sono i sistemi di riferimento.

Che il tempo assoluto non esista non è difficile da dimostrare: se fossimo in grado di trasmettere l'informazione dell'esplosione di due stelle, molto distanti tra loro, in tutti i punti dello spazio e nello stesso istante, tutti gli osservatori potrebbero concordare sul fatto che le due stelle siano esplose nello stesso istante, e questo a prescindere dallo stato di moto del loro sistema di riferimento. Se esistesse la simultaneità assoluta quindi, potremmo sincronizzare tutti gli orologi dell'universo e di conseguenza si renderebbe plausibile l'idea di un tempo assoluto, uguale per tutti gli osservatori. Ma, dal momento che è impossibile trasmettere segnali con velocità infinita possiamo al contrario concludere che non esiste un tempo assoluto che scorra ugualmente in tutti i sistemi di riferimento.

 

La natura della luce

 

Negli anni precedenti la formulazione della teoria di Einstein c'era un acceso dibattito sulla natura della luce.  

Nel trattato l' Ottica del 1704 Newton formulava l'ardita teoria della natura corpuscolare della luce, stando alla quale i fenomeni luminosi trovavano la loro spiegazione nell'emissione di particelle di differente grandezza: le più piccole darebbero origine al viola e le più grosse al rosso. La teoria corpuscolare della luce entrava in competizione con la teoria ondulatoria, proposta nel suo Traité de la lumière dal fisico olandese, il cartesiano Christian Huygens. Lo spazio assoluto s'identifica per Newton con l'etere; alla base della sua teoria dell'ottica l'etere trasparente è il mare in cui si propaga la luce come il suono si propaga nell'aria. Quando l'astronomo danese Ole Römer misurò la velocità della luce, Newton afferrò l'occasione per formulare la sua teoria corpuscolare, secondo la quale la luce è il risultato delle proiezioni dei corpuscoli da parte del Sole. Questa teoria sarà accettata fino alla fine del Settecento; poi, grazie anche ai precedenti lavori di Huygens, Young, e soprattutto di Fresnel, prevarrà la teoria ondulatoria, provata dai fenomeni d'interferenza e diffrazione della luce. Le nuove conoscenze riguardanti la natura della luce, sebbene fossero riuscite a chiarire molti aspetti, avevano fatto nascere nuovi interrogativi più rilevanti. Primo fra tutti il problema dell'etere, come mezzo necessario per la propagazione delle onde luminose. L'etere si rivelò subito una sostanza così complessa da sembrare al di fuori dell'umana immaginazione. Basta infatti considerare che doveva essere così tenue da essere presente anche nel vuoto, così trasparente da permettere sia la visibilità degli astri, sia permettere alla Terra e ai pianeti di muoversi senza attrito, inoltre così rigido da permettere alle radiazioni luminose di raggiungere nel vuoto la loro incredibile velocità. Nella prima metà dell'Ottocento, i fisici che si occupavano d'elettricità e magnetismo avevano avanzato l'idea che tra la luce e i fenomeni elettromagnetici dovesse esistere qualche rapporto di parentela; poi nel 1870 l'avventura della luce subì una svolta decisiva.

Grazie alle equazioni del fisico scozzese James Clerck Maxwell emerse chiaramente il legame tra i fenomeni elettrici e quelli magnetici che vengono unificati nel termine “elettromagnetici”. In breve, esiste una corrispondenza tra magnetismo ed elettricità, uno produce l'altro e viceversa; e questo può accadere anche dove non c'è aria o qualsiasi altro mezzo. La luce è un'onda elettromagnetica e viaggia a velocità costante attraverso l'etere (mezzo immobile che pervade l'universo intero). Di conseguenza, in linea di principio, un osservatore sul nostro pianeta, misurando la velocità della luce rispetto alla Terra, può determinare la velocità di quest'ultima rispetto all'etere. Ma ciò era escluso dalla fisica newtoniana; inoltre una serie d'esperimenti di Michelson e Morley smentirono le previsioni della teoria elettromagnetica della luce e condussero all'impossibilità di misurare la velocità della Terra rispetto all'etere. Non sembrava, in ogni modo, il caso di abbandonare la teoria delle onde elettromagnetiche, dal momento che aveva permesso di unificare la spiegazione dei fenomeni elettrici conosciuti e soprattutto di scoprire le onde hertziane, fenomeno fisico di cui nessuno aveva mai sospettato l'esistenza.

Einstein capì che il dilemma dell'etere non riguardava la natura della luce ma la definizione del tempo. C'era bisogno, secondo Einstein, di rielaborare il concetto di tempo in modo tale da permettere una definizione di velocità della luce senza bisogno di un mezzo materiale attraverso cui propagarsi; in questa nuova definizione la luce infatti non si propaga più, essa è propriamente immobile.

 

La legge di propagazione della luce e il principio di relatività

 

La teoria di Maxwell conclude nel definire una velocità della luce nell'etere di valore costante, chiamato c , uguale a 300.000 Km/s. La costanza della velocità della luce crea non pochi problemi ai fisici che riflettono su di essa. Vediamo in che modo sorgono queste difficoltà. Innanzitutto il processo di propagazione della luce, come ogni altro processo, va riferito a un sistema di coordinate.

Prendiamo come esempio una banchina ferroviaria e immaginiamo che sia stata rimossa l'aria sopra di essa. Se si lancia un raggio di luce lungo la banchina, raggio che viaggia con velocità c rispetto ad essa, e supponendo che il treno viaggi con velocità v nella stessa direzione della luce, otterremo allora che la velocità della luce rispetto al vagone è w = c - v . Per un vagone che viaggia con velocità uguale e opposta otterremo invece w = c + v.

Questo risultato è in disaccordo con il principio di relatività dal momento che, misurando la velocità della luce, è possibile trovare la velocità assoluta (rispetto all'etere) del vagone. Si è dunque di fronte a una scelta: abbandonare il principio di relatività o abbandonare la legge della propagazione della luce nel vuoto. Le ricerche e le indagini di Lorentz sui fenomeni elettrodinamici e ottici dei corpi in movimento portano a una teoria che ha come conseguenza necessaria la legge della costanza della velocità della luce nel vuoto. Per questa ragione i più importanti fisici teorici concordarono sull'abbandono del principio di relatività, nonostante nessun dato empirico fosse stato trovato in disaccordo con questo principio. A questo punto si profila la teoria della relatività.

Dall'analisi dei concetti di tempo e spazio risultò che nella realtà non c'è contraddizione tra il principio della relatività e la legge di propagazione della luce e che usando entrambe le leggi si otteneva una teoria logicamente ineccepibile. Questa teoria è la relatività ristretta (o particolare) per distinguerla dall'altra teoria formulata successivamente da Einstein e chiamata relatività generale. La scoperta della relatività del tempo ha portato una profonda rivoluzione nella concezione della natura che l'uomo si era fatto fino ad allora. Essa rappresenta una delle più grandi vittorie della mente umana sui concetti che attraverso i secoli erano divenuti veri ceppi della mente. Possiamo paragonarla solo alla rivoluzione portata nel pensiero umano dall'ipotesi della sfericità della Terra.

 

Convenzione semantica nella relatività

 

La teoria della relatività diede vita a non pochi equivoci e fraintendimenti tra i “non-fisici”. Questi equivoci, scaturiti per via del suo nome fuorviante 1, fecero in modo che si diffondesse un grossolano equivoco, in base al quale, secondo la relatività fisica, c'è equivalenza tra ogni punto di vista, contesti, narratore, frammenti d'intreccio etc. estendendo così la relatività einsteniana a tutti i campi d'indagine. Questa errata interpretazione diede vita al cosiddetto relativismo assoluto. Il clichè che ne è derivato, “tutto è relativo”, è assolutamente errato. Analizzando accuratamente la teoria possiamo infatti ricavare la conclusione contraria, ovvero “qualcosa è assoluto”.

Gli scienziati, nella fase iniziale della loro ricerca, adottano, oltre al procedimento fenomenico e a quello analitico, un terzo metodo che si allontana sia dalla dimensione empirica che da quella logica. Troviamo conferma di quanto diciamo nelle parole dello stesso Einstein: “I principi di una teoria non possono essere dedotti dall'esperienza per astrazione, vale a dire con mezzi logici. Dal punto di vista logico i concetti e i postulati fondamentali della fisica sono libere invenzioni della mente umana” 2

Possiamo ora iniziare ad esaminare la teoria della relatività affermando innanzitutto che essa è basata su due principi che possono essere così comparati:

 

1.    In un viaggio di andata e ritorno la velocità media di un raggio di luce è uguale alla costante c ;

2.    In un viaggio di andata e ritorno la velocità del raggio di luce all'andata è la stessa che al ritorno.

 

Il primo principio è un'ipotesi empirica, sottoponibile alla verifica sperimentale, sicché, se risulta vera, descrive un fatto di natura.

Il secondo principio è invece una definizione, non v'è alcun modo di articolarlo come un fatto di natura, e non ha alcun senso chiedersi se sia vero o falso. Questo accade perché la velocità istantanea della luce è un concetto fisico privo di corrispondenza sperimentale; non v'è alcun modo di misurare la velocità della luce proprio a causa del sul valore massimo: la luce è l'agente più veloce del cosmo, e per calcolarla, avremmo bisogno di un fenomeno più veloce della luce stessa. Di conseguenza possiamo attribuire a questa grandezza fisica un valore arbitrario, senza paura che possa essere smentito dall'esperienza.

Einstein, adottando il secondo principio, sceglie di attribuire alla velocità istantanea della luce il valore c . Pur non essendoci alcun riscontro sperimentale e alcuna giustificazione logico-concettuale, il principio della costanza della velocità della luce trova la propria ragion d'essere nella sua utilità.

Così ancor prima di trattare la simultaneità e la sua qualità relativa, il fisico tedesco introduce una grandezza convenzionale, la definizione della velocità istantanea della luce. Questa convezione linguistica si rivela decisiva, come vedremo in seguito, per definire la natura relativa della simultaneità.

La trattazione di Einstein si divide in due parti: prima si stabilisce arbitrariamente cosa s'intenda per simultaneità tra due eventi non-locali; dopo si definisce, con l'aiuto delle leggi fisiche, un tempo relativo all'osservatore in moto uniforme. La relatività del tempo si fonda, appunto, sulla natura convenzionale del concetto di simultaneità a distanza. Il fatto che la definizione di simultaneità sia una convenzione liberamente scelta vuol dire che la simultaneità a distanza non può essere conosciuta attraverso l'esperienza. Essa non è una proprietà della natura, ma un nome come ‘Dio' o i numeri; possiamo liberamente sceglierla proprio perché essa non ci dice nulla delle qualità del mondo.

Il punto di partenza del lavoro di Einstein è la divisione del tempo in due tempi epistemologicamente distinti: il tempo locale, cioè il tempo degli eventi che avvengono attorno a noi, e il tempo non-locale, cioè la datazione degli eventi lontani, dell'esistenza dei quali ci accorgiamo solo quando ne riceviamo notizia.

Si tratta quindi di distinguere tra simultaneità nello stesso luogo e simultaneità di eventi spazialmente separati; solo quest'ultima contiene il problema effettivo della simultaneità. La simultaneità nello stesso luogo, quindi il verificarsi di eventi nel medesimo posto e allo stesso tempo, viene chiamata ‘coincidenza'. Nel caso della coincidenza quindi, non c'è alcun confronto di spazio e di tempo dal momento che essi sono identici per entrambi gli eventi. Dunque il tempo locale non è l'oggetto dell a teoria della relatività ma un suo presupposto epistemologico. La teoria infatti presuppone che esista l'orologio e che il suo funzionamento sia localmente perfetto.

Oggetto della teoria è esclusivamente il tempo a distanza, cioè il giudizio del “prima” e del “dopo” di eventi distanti; riguardo a ciò conclude che la relazione temporale è illusoria nel senso che il significato del “prima” e del “dopo” non è autoevidente ma richiede una definizione semantica senza alcuna corrispondenza empirica. Da ciò deriva che datare un evento distante è arbitrario quanto dare i nomi alle stelle o alle costellazioni, questa operazione è un artificio umano a cui non corrisponde alcuna qualità fisica degli eventi stessi. Proprio l'indifferenza della natura al tempo permette una molteplicità di convenzioni temporali che dona una pluralità di significati al concetto di tempo. La relatività in questo modo ci informa sui limiti della parola “tempo”, sulla natura propriamente linguistica di questo concetto e sulla scelta assolutamente libera che compiamo quando decidiamo di dare un significato non-locale al “prima” ed al “dopo”. 3

 

Note

1. Il nome “teoria della relatività”, gravido di equivoci, fu dato ai primi lavori di Einstein da Planck e Abraham nel 1906. Per un certo periodo Einstein usò chiamarla “la cosiddetta teoria della relatività”, mentre nella corrispondenza usava il termine “invariantentheorie”.

2. Albert Einstein, Idee e opinioni , p. 272.

3. Piperno Franco, Il tempo e la luce nella teoria della relatività.

 

bottom