teorie della relatività
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Prof. Giovanna CATANIA FISICA TEORIE u.d. 12 APPUNTI per APPROFONDIMENTO della RELATIVITÀ Qualunque teoria della Fisica che, per un periodo più o meno lungo, fornisca anche il fondamento unitario a partire dal quale strutturare nuove teorie su nuovi fenomeni, deve essere accompagnata da una teoria relativistica ossia da una teoria che garantisca l’invarianza1 delle leggi del fondamento e, ovviamente, delle grandezze fisiche a partire dalle quali quelle leggi sono strutturate. La Fisica moderna è stata costruita come Fisica classica, prima, e come Fisica quantistica, dalla prima metà del XX secolo e ancora attualmente, a partire da due fondamenti unitari: quello meccanico-deterministico dalla nascita della Fisica moderna in periodo rinascimentale, e quello quanto-probabilistico negli ultimi 80 anni. La conseguenza è che sono due anche le teorie relativistiche che è stato necessario elaborare. La teoria relativistica classica o galileiana, come dice il suo nome, è stata la prima ed è quella che accompagna il fondamento meccanicistico classico garantendo l’invarianza delle leggi della meccanica classica e, in sostanza, della forza per mezzo dell’invarianza dell’accelerazione visto che r r F = ma e che la massa – grandezza fisica definita per misurare la quantità di materia e, quindi, l’inerzia, degli oggetti materiali – segue, grazie al suo significato fisico, addirittura una legge di conservazione (dm / dt = 0) manifestando, in tal modo, un’indipendenza dal tempo la cui misura è, peraltro, considerata assoluta (invariante per antonomasia e indipendente dal riferimento) da tutta la Fisica classica. In realtà, la conclusione di questa teoria relativistica – il principio di relatività classica2 – garantisce l’invarianza delle leggi della meccanica, soltanto per cambiamenti di riferimento inerziale; a garantire l’invarianza di quelle stesse leggi anche per i riferimenti accelerati, provvede l’introduzione e la definizione delle forze apparenti o fittizie (forza d’inerzia, forza centrifuga, forza di Coriolis) le quali – ipotizzabili e definibili soltanto dai riferimenti accelerati – permettono anche a questi ultimi, di interpretare alla luce delle leggi di Newton, qualunque fenomeno meccanico osservato in modo non inerziale. La teoria relativistica di Einstein è, invece, quella che garantisce l’invarianza delle leggi di Maxwell3 ovvero delle leggi della propagazione ondulatoria di energia la cui emissione e il cui assorbimento da parte della materia, sono interpretabili, al contrario, per mezzo dell’attribuzione all’energia, di una struttura corpuscolare (fotone). Proprio per questo, è la teoria relativistica che accompagna il fondamento quanto-probabilistico adeguato alla descrizione e all’interpretazione dei fenomeni microscopici (nonché di quelli macroscopici considerati come evidenza macroscopica di infiniti eventi microscopici) e distingue, similmente alla teoria relativistica classica, fra i riferimenti inerziali (teoria della relatività speciale o ristretta) e i riferimenti anche accelerati (teoria della relatività generale). Il fatto di dover "partire" dall’invarianza della velocità e, anzi, dall’invarianza della velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche, imposta come postulato della relatività speciale, ha alcune conseguenze: da una parte, le misure di tempo perdono la loro assolutezza e diventano dipendenti dalla velocità relativa fra riferimento e fenomeno osservato e, dall’altra, la massa diventa a sua volta dipendente da questa medesima velocità. È necessario mettere in evidenza che, così come si può recuperare la Fisica classica quale limite macroscopico della meccanica quantistica, ogni volta che il fenomeno studiato coinvolge masse ed energie infinite rispetto a quelle dei costituenti microscopici della massa e dell’energia, nello stesso modo si può recuperare la teoria relativistica classica quale limite macroscopico, ogni volta che le velocità coinvolte sono infinitesime rispetto a quella di propagazione delle onde elettromagnetiche. 1 Si considera invariante qualunque grandezza fisica che evidenzi di essere indipendente dal riferimento fissato per osservare un determinato fenomeno. 2 «Qualunque osservatore di un fenomeno di movimento macroscopico che sia riferimento inerziale ovvero che sia dotato di una velocità costante relativamente al fenomeno osservato, non ha modo di distinguere fra il proprio essere in quiete e il proprio essere in moto rettilineo uniforme rispetto al fenomeno stesso.». 3 Visto che queste 4 leggi hanno come "perno", la velocità di propagazione del campo elettromagnetico e, quindi, delle onde elettromagnetiche, secondo la teoria relativistica classica, non sarebbero invarianti come non lo è la velocità.
