Sette brevi lezioni di Relatività

A
Giuseppe Vatinno
Sette brevi lezioni di Relatività
Prefazione
Silvio Bergia
Copyright © MMXV
Aracne editrice int.le S.r.l.
www.aracneeditrice.it
[email protected]
via Quarto Negroni, 
 Ariccia (RM)
() 
 ----
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I edizione: dicembre 
Indice

Prefazione
di Silvio Bergia

Premessa

Lezione 
La teoria della Relatività Speciale

Lezione 
Il paradosso dei gemelli

Lezione 
Energia e massa

Lezione 
La filosofia della Relatività Speciale

Lezione 
La teoria della Relatività Generale

Lezione 
Cosmologia

Lezione 
Teoria del tutto

Conclusioni

Bibliografia

Indice analitico e dei nomi

Prefazione
di S B
Le discipline scientifiche sono caratterizzate dall’esame degli aspetti delle
realtà indagate e dalla graduale costruzione di una visione concettuale —
una teoria — che le inglobi. Una costruzione che finisce per codificare
un complesso di leggi espresse in termini matematici. Aspetto che è
particolarmente rilevante per il caso della fisica. Ora non c’è persona che
a scuola non abbia dovuto cimentarsi con vari — e variabili, secondo il
tipo di scuola — capitoli della matematica, ma mi sembra di poter dire che
chi non abbia poi proseguito questi studi finisca per trovarsi in difficoltà
di fronte a risultati della ricerca divulgati dai mezzi di comunicazione di
massa. Che, naturalmente, non si cimentano con i contenuti matematici
pertinenti ai casi in esame, ma che stentano anche a trovare le vie e i
termini per cercare di far cogliere il senso complessivo del discorso.
L’autore del testo che segue ha più di una volta affrontato il compito
di trasmettere a un pubblico di non specialisti il contenuto di capitoli
della fisica. Ricordo, al proposito, il suo libro Storia naturale del tempo –
L’effetto Einstein e la Teoria della Relatività, Armando, Roma, . È il caso
di sottolineare che la matematica richiesta da questo soggetto va ben oltre
quella da più tempo in uso per le basi generali della fisica. E, nel libro in
questione, l’autore si cimentò, riuscendoci, col proposito di trasmetterne,
in termini sintetici, il contenuto al lettore. In questo saggio egli è andato
oltre questi limiti. Per intenderci subito — il lettore se ne renderà immediatamente conto — il testo non contiene una sola formula. Si direbbe,
come ricordavo a proposito della divulgazione di contenuti matematici
da parte della divulgazione di massa, che l’autore li metta globalmente
da parte. Non è così: egli persegue il lodevole tentativo di trasmettere i
contenuti basici della Relatività Speciale e della Relatività Generale, compiendo così un passo rilevante verso la loro effettiva comprensione da
parte di un pubblico di non specialisti.
. Già Ordinario di Teoria della Relatività presso l’Università di Bologna.

Premessa
La teoria della Relatività (sia Speciale, RS, che Generale, RG) di Einstein riveste un ruolo particolare nella fisica: si tratta infatti di una
teoria che riguarda i fondamenti stessi di questa disciplina e della nostra visione del mondo (Weltanschauung) e cioè i concetti basilari di
“spazio”, di “tempo” e di “materia–energia” e dunque è rivestita di
un ampio contenuto filosofico. Il punto di vista di Einstein fu probabilmente quello di ottenere una fisica indipendente dagli osservatori
o meglio dal loro stato di moto sulla base di convinzioni di carattere
generale.
Ma perché ci sono due Relatività? Quella Speciale o Ristretta, pubblicata nel , riguarda degli osservatori molto particolari e cioè quelli
in moto rettilineo uniforme che vengono comunemente chiamati
“inerziali” mentre quella Generale, pubblicata nel  (ma terminata
nel ), riguarda tutti i tipi di osservatori, anche quelli in moto non
rettilineo uniforme e quindi sottoposti ad accelerazioni.
Inoltre la teoria della Relatività Generale fornisce anche una teoria
della gravitazione che è la più avanzata attualmente disponibile (pur
non essendo compatibile con la Meccanica Quantistica, MQ, l’altra
teoria che domina la fisica contemporanea).
Il grande successo della relatività presso il pubblico mondiale, è
dovuto a vari fattori; tra i principali possiamo annoverare il fatto che i
temi trattati, soprattutto il “tempo” e il suo fluire (e i relativi “viaggi”
nel cronotopo), sono in genere dominio della metafisica e comunque
erano stati già utilizzati nella narrativa fantastica e poi fantascientifica
(il noto romanzo La macchina del tempo di H.G. Wells è del  mentre
la Relatività Speciale, come detto, è del ); questo “esotismo” dei
concetti relativistici incarnato da termini ammalianti come “quarta
dimensione” non può quindi che generare nel pubblico non specialistico una curiosità morbosa per la materia trattata (questo fenomeno
è vero anche per la MQ) e soprattutto per il suo ideatore quell’Albert Einstein che nel secolo scorso divenne un vero e proprio idolo


Premessa
delle folle con tanto di copertine su Time e che tuttora rappresenta
l’archetipo dello scienziato geniale e un po’ pazzo, con il suo aspetto
irriverente, che tanto piace alla cultura pop.
Come detto la relatività è una teoria molto particolare anche nell’ambito della stessa fisica; ad esempio Einstein vinse il premio Nobel nel
 non per essa (come si potrebbe credere) ma per i suoi studi di “fisica
teorica” e per la sua interpretazione dell’effetto fotoelettrico che aprì la
strada alla MQ e questo perché allora la relatività era considerata più una
stranezza matematica che una vera e propria teoria fisica e soprattutto
non convinceva pienamente gli esperti; ed infatti nelle università di tutto
il mondo era insegnata (poco) nell’ambito della fisica–matematica e solo
dagli anni Novanta del XX secolo si è assistito ad un cambiamento con
l’istituzione di corsi specifici nelle facoltà di fisica in concomitanza con un
notevole sviluppo della cosmologia.
Negli anni la Relatività Speciale si è consolidata anche grazie all’evidente messe di dati sperimentali, come una teoria non solo matematica
ma anche fisica e soprattutto, e questo è il punto, filosofica. C’è poi da
dire che mentre la teoria della Relatività Speciale va d’accordo con la
Meccanica Quantistica tanto da produrre — ad esempio nel caso dell’elettrone — l’elettrodinamica relativistica opera di Dirac che fornisce
un incredibile accordo con i dati sperimentali, la Relatività Generale è
in profondo disaccordo con il cosiddetto “modello standard” che descrive (ma ancora non unifica) tutte le altre forze fisiche conosciute quali
l’elettromagnetismo–nucleare debole e la forza nucleare forte.
Einstein passò il resto della sua vita professionale nel vano tentativo
di unificare la RG con l’ elettromagnetismo (allora unica altra forza
conosciuta) in un primo tentativo di trovare una “Teoria del Tutto” che
poi sarebbe diventata un po’ il Santo Graal della fisica futura. Dunque
mentre la situazione per la RS è abbastanza ben definita e vi sono — come
detto — contro di essa solo alcune critiche di natura epistemologica
diverso è il discorso sulla RG che non pare essere la teoria definitiva
della gravità proprio a causa della sua incompatibilità con la Meccanica
Quantistica che difficilmente potrebbe essere “sbagliata” dati i suoi grandi
successi sperimentali.
In ogni caso in questo libro che segue un altro da me pubblicato sul
“Tempo” e sulla Relatività sia Speciale che Generale di carattere spe. Storia naturale del Tempo. L’effetto Einstein e la Teoria della Relatività, Armando, Roma .
Premessa

cialistico voglio cogliere una sfida divulgativa e cioè cercare di rendere
comprensibile le relatività ad un pubblico che sappia poco o niente di
scienza non utilizzando formule. Sfida molto più complessa di quella
di scrivere un libro pieno di notazioni incomprensibili; non mancano
i tentativi nobili di cui il più noto è stato quello di Bertrand Russell
ormai però datato. Il pericolo della divulgazione scientifica, come disse
lo stesso Einstein, è quello di o essere incomprensibili o di banalizzare: spero di essere riuscito ad essere rigoroso ma comprensibile. Se
questo accadrà mi riterrò soddisfatto.
. L’ABC della Relatività, Longanesi, Milano .
Lezione 
La teoria della Relatività Speciale
Tutti conoscono Albert Einstein; egli è assorto anzi a prototipo dello
scienziato “pazzo”, del ribelle anticonformista che faceva, già famoso,
le boccacce ai fotografi, allo studente ribelle di ogni autorità e disciplina (soprattutto prussiana) che ha cambiato la visione del mondo.
Parimenti tutti conoscono la sua teoria della Relatività che lo ha reso
famoso e celebre come una star di Hollywood nell’immaginario collettivo; ma cosa è la teoria della Relatività? O meglio, come è possibile
capirci qualcosa senza essere immediatamente intimoriti da formule astruse e geroglifici incomprensibili? Cercherò di spiegarlo nella
maniera più semplice possibile non utilizzando formule.
Per capire il concetto di “relatività” dobbiamo riferirci alla dinamica
(più propriamente alla cinematica) che è quella parte della fisica che
studia il moto; per fare questo è necessario individuare alcune gran-
Figura . Nell’immagine la copertina che Time ha dedicato ad Einstein
“personaggio del secolo” il  dicembre .


Sette brevi lezioni di Relatività
dezze e le loro relazioni che le caratterizzano, come spazio, tempo,
velocità ed accelerazione. La velocità è la variazione (cioè il risultato
della divisione) dello spazio nel tempo, mentre l’accelerazione è la
variazione (ancora una divisione) della velocità nel tempo. Questo è
intuitivo perché tutti hanno avuto a che fare con la velocità e l’accelerazione, ma qui si pone un problema. Ad esempio, un aereo si muove
con una certa velocità ma rispetto a cosa? In effetti la velocità di un
aereo può essere calcolata rispetto a tanti “sistemi di riferimento” e nel
nostro caso questi sistemi possono essere l’aria che circonda l’aereo
oppure il suolo. Che differenza c’è? L’aria è in genere in moto, cioè
ha una sua velocità — rispetto al suolo — dovuta al vento, mentre
il suolo è supposto fermo. Ma in tal caso la domanda a che velocità
si muove l’aereo ha due risposte entrambe valide e le due velocità
coincideranno solo se il vento non c’è.
Dunque abbiamo imparato che la velocità, che è una grandezza
fisica, è “relativa” al sistema di riferimento utilizzato e non ha un
valore assoluto; questo è un primo esempio di relatività.
Il moto può essere a velocità costante o a velocità variabile, cioè
accelerato (e questa è la materia della RG) sempre rispetto ad un
sistema di riferimento. Poiché la velocità è relativa è probabile che
essa non sia “importante” in fisica e che i fenomeni siano indipendenti
da essa e dunque si può enunciare il cosiddetto principio di inerzia:
“Un corpo si muove di moto rettilineo uniforme o rimane in quiete
fin quando una forza non modifica il suo stato”. Questo principio
concretizza l’affermazione fatta che la velocità “non è importante” in
fisica e ci dice che il moto rettilineo a velocità costante non influisce
sull’esito degli esperimenti, cioè è lo stesso fare un esperimento in
quiete o in moto rettilineo uniforme. Questo è il principio di relatività
in dinamica e fu scoperto da Galileo Galilei nel XVI secolo che ne
diede una pittoresca rappresentazione nella sua opera Dialogo sui due
massimi sistemi del .
Il principio di inerzia è stato finora sempre confermato sperimentalmente anche a livello di particelle elementari.
Isaac Newton, nel XVII secolo, costruì successivamente, nel ,
nei suoi Philosopiae Naturalis Principia Mathematica l’intera meccanica,
chiamata classica, su questo principio introducendo però “un” sistema
di riferimento in cui questo era vero e lo identificò con lo “spazio
assoluto”. In pratica disse che esistevano dei sistemi di riferimento,