Il secolo della relatività Così Einstein ci ha cambiato

Il ragazzo che mi piaceva alle superiori un'estate mi regalò una cartolina. Allora ancora si usava. E poiché lui sapeva della mia passione per la fisica, sopra c'era il faccione di Albert Einstein e la sua citazione probabilmente più famosa: «L'immaginazione è più importante della conoscenza».Einstein è uno dei personaggi storici cui vengono messe in bocca più citazioni fasulle. Ma questa è vera. E del resto tutto torna, se si pensa che il giovane Albert, a sedici anni, iniziò a fantasticare su cosa dovesse vedere una persona a cavallo di un raggio di luce: se avesse avuto una torcia in mano, avrebbe visto il fascio luminoso precederlo oppure no?Forse iniziò da lì, da quel pensiero ozioso, il viaggio che poi l'avrebbe condotto, nel 1915, a formulare la sua teoria più famosa, quella che ha rivoluzionato il nostro modo di intendere l'Universo: la teoria della relatività generale, di cui quest'anno, a novembre, ricorre il centenario.Per capire come Einstein l'abbia formulata, occorre fare qualche passo indietro.La fisica di fine 800 era già stata (...)(...) rivoluzionata da qualcuno, quel Maxwell delle famose equazioni, che aveva dimostrato che luce, elettricità e magnetismo erano diverse espressioni di uno stesso fenomeno fisico. C'era però un ma. Le leggi di Maxwell indicavano che la velocità della luce fosse costante, cosa che andava contro il senso comune. Per dirla con semplicità: se sono su un treno che va a velocità v, e mi muovo da una carrozza all'altra con velocità V, per un osservatore fermo in stazione la mia velocità complessiva sarà v+V. Ebbene, questo non valeva per la luce. Se il nostro omino sul treno avesse una torcia, secondo le leggi di Maxwell tanto lui che la persona ferma in stazione vedrebbero il raggio di luce muoversi alla velocità c=300.00 km/s.Per risolvere l'apparente paradosso erano state proposte varie soluzioni, tra cui l'idea che la luce si propagasse all'interno di un mezzo misterioso chiamato etere, che tutti cercavano, ma nessuno era in grado di trovare. L'esperimento più famoso fu quello di Michelson e Morley, che cercarono di misurare eventuali variazioni della velocità della luce dovute al moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole; l'idea era che, ruotando intorno al Sole, la Terra si muovesse anche rispetto all'etere. Ma non trovarono nulla.Fu proprio Einstein che nel 1905 risolse brillantemente il problema. Partì dall'assunto che la velocità della luce fosse uguale sempre, indipendentemente dal moto dell'osservatore (in termini tecnici si dice che è invariante in ogni sistema di riferimento, a patto che sia inerziale, ossia la velocità abbia sempre la stessa direzione e lo stesso valore nel tempo); questo, assieme al postulato che anche le leggi dell'ottica e dell'elettromagnetismo non cambiassero al cambiare di sistema di riferimento, lo portò alla formulazione della relatività ristretta, che già era portatrice di un bel po' di strane implicazioni. Ad esempio, dai calcoli veniva fuori che se il nostro omino sul treno misurasse la lunghezza di una sbarra, e lo stesso facesse l'uomo in stazione, le due misure sarebbero state diverse: a patto che le velocità in gioco fossero prossime a quella della luce, le lunghezze si contraevano col moto. E non era tutto: anche le misure di tempo non erano più assolute. Per l'uomo sul treno, il tempo scorreva più lentamente. La teoria ripensava completamente il modo di intendere lo spazio e il tempo: non esistevano più come grandezze assolute, tutto dipendeva dalla velocità del moto. Inoltre, spazio e tempo erano un'unica entità quadridimensionale, lo spazio-tempo, che costituiva il tessuto del nostro Universo.Ma questa, appunto, era la relatività speciale, ossia valida solo per i sistemi di riferimento inerziali. E se mi trovassi in un ascensore in caduta libera, in cui la velocità aumenta al ritmo dell'accelerazione di gravità g=9.81 m/s2 (in questo caso, il valore della velocità aumenta col tempo)? O se mi trovassi in una macchina che sta curvando (e qui è la direzione della velocità che varia)?Fu partendo da queste domande che Einstein, grazie all'aiuto del matematico Grossmann, che lo introdusse al calcolo tensoriale, elaborò la teoria della relatività generale, ossia valida in qualsiasi sistema di riferimento.Le cose vanno così: le masse sono in grado di curvare lo spazio-tempo, esattamente come un peso sferico, poggiato su un tappeto elastico, lo deforma. Senza il peso, la via più breve per andare da un punto A ad un punto B è una retta. Col peso che curva il telo, l'unico modo per andare da A a B restando vincolati al telo è seguirne la curvatura. Ed è esattamente quel che accade nel nostro Universo: la Terra gira attorno al Sole perché il Sole curva lo spazio-tempo, e dunque la Terra non può che seguire questa curvatura. È questo il senso della famosa frase del fisico statunitense Wheeler «la materia dice allo spazio come curvarsi, lo spazio dice alla materia come muoversi».Può sembrare solo un altro modo di spiegare la forza di gravità: in fin dei conti, al netto di tutto, sia che la diciamo come Newton che come Einstein, la Terra gira intorno al Sole. Ma solo la relatività generale riesce a spiegare alcuni fenomeni: come lo spostamento secolare del perielio di Mercurio, o le lenti gravitazionali, quegli sbaffi che certe volte si vedono nelle immagini di galassie lontane. Si tratta di fotoni provenienti da galassie che si trovano dietro altre più massicce e che, secondo Newton, non dovremmo essere in grado di vedere: e invece i fotoni seguono lo spazio curvato dalle galassie massicce e arrivano fino a noi. Oggi persino i Gps che si trovano nelle nostre macchine funzionano grazie alla relatività generale.La relatività è una delle teorie che più profondamente ha cambiato il nostro modo di pensare l'Universo, e forse proprio per questo ha avuto così tanta presa sul grande pubblico. I suoi infiniti, straordinari paradossi, il fatto che il tempo, che in noi esseri umani è legato a una dimensione quasi esclusivamente psicologica, non sia assoluto, ma relativo, tutto questo ci affascina, ci induce a un ripensamento delle nostre certezze, che poi è uno dei compiti della Scienza. Inoltre, è una delle teorie meglio testate e che più è stata in grado di predire fatti sperimentali.Eppure, è nata in qualche modo incompleta. Perché non va d'accordo con un'altra, grande teoria che ha cambiato il nostro modo di pensare, ugualmente piena di paradossi e, al tempo stesso, testata innumerevoli volte sul campo: la meccanica quantistica. Al momento non c'è un modello la cui correttezza sia provata dai fatti per descrivere in modo relativistico il mondo delle particelle subatomiche, il regno della meccanica quantistica. Tecnicamente, si ottengono equazioni prive di significato fisico. Da un punto di vista più intuitivo, il problema è che è difficile descrivere in termini di curvatura dello spazio-tempo un posto in cui le particelle si creano e si distruggono continuamente, increspando il tessuto dell'Universo di continuo, così come la meccanica quantistica ci dice accada a livello delle particelle subatomiche. È questa la nuova frontiera, che da decenni i fisici teorici stanno cercando di indagare. Al momento, una soluzione non c'è, solo tante teorie: quella delle stringhe, quella della gravità quantistica a loop. Tutte perfette dal punto di vista matematico, tutte desolatamente prive di conferme sperimentali, almeno finora.E così la relatività generale mantiene intatto il suo fascino; quello di una teoria elaborata sostanzialmente da un sol uomo, per altro la cui vita strettamente s'intreccia ai grandi eventi del 900 (pensiamo già solo alla bomba atomica), capace di capovolgere il nostro modo di guardare alle cose.

Un ultimo appunto: gira voce nel mondo scientifico che siano state finalmente trovate le onde gravitazionali, le minuscole increspature dello spazio-tempo predette da Einstein, cercate per decenni e mai viste. Sarebbe l'ultimo, grande colpo, per altro nel centenario della teoria: l'ultimo regalo di una mente straordinaria cui tanto dobbiamo in termini di conoscenza, dell'Universo e forse anche di noi stessi.Licia Troisi