Einstein e "La relatività ristretta"

Einstein e "La relatività ristretta"

Nello stesso anno della pubblicazione de "Il fu Mattia Pascal" di Pirandello, cioè nel 1905, Albert Einstein pubblicò la teoria della relatività speciale o ristretta, valida nel caso di sistemi in moto relativo uniforme l'uno rispetto all'altro. Questa coincidenza temporale mette in evidenza come in effetti la mentalità del tempo fosse radicalmente cambiata, dalla logica alla fisica; la teoria della relatività ristretta, infatti, tratta di come gli oggetti e gli eventi sono osservati da sistemi di riferimento inerziali, modificando nella logica e nelle conseguenze il modo in cui lo stesso argomento era stato affrontato precedentemente.

Il principio di relatività classica affermava che in tutti i sistemi di riferimento inerziali i fenomeni meccanici avvengono con identiche modalità. Invece con la relatività einsteiniana alcune grandezze fisiche, da una validità assoluta, hanno assunto un valore relativo: fra queste lo spazio, inteso come distanza, e il tempo.

La teoria della relatività ristretta, pubblicata nel 1905, si basava su due postulati essenziali:

Primo postulato: il principio di relatività

Le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali.

Secondo postulato: la costanza della velocità della luce

La velocità della luce nel vuoto è c = 3,00 * 10^8 m/s in tutti i sistemi di riferimento inerziali, indipendentemente dal moto della sorgente rispetto all'osservatore.

Secondo Newton "il tempo assoluto per sua stessa natura scorre uniformemente senza alcuna relazione ad alcunché esterno". L'università della scala temporale era stata assunta come verità assiomatica. In base ad essa, il concetto di simultaneità sembrava così chiaro ed evidente che nessuno prima di Einstein aveva cercato di discuterlo. Due avvenimenti che accadono contemporaneamente per un osservatore, avverranno nello stesso istante per ogni altro essere umano ovunque egli si trovi e indipendentemente dal suo stato di moto. Nella meccanica relativistica, invece, la simultaneità dipende dal sistema di riferimento utilizzato per descrivere gli eventi.

Se due eventi avvengono esattamente nello stesso luogo è facile stabilire il loro ordine cronologico. La situazione si complica quando un osservatore vuole stabilire come si susseguono nel tempo due eventi che accadono in luoghi diversi. Un evento può essere registrato soltanto nell'istante in cui è visto, cioè quando il segnale (supponiamo luminoso) che parte dal luogo e nell'istante in cui accade l'evento arriva nel punto di osservazione. Se la velocità della luce fosse infinita, l'avvenimento e la sua registrazione si verificherebbero sempre nello stesso istante, indipendentemente dal fatto che l'osservatore si trovi vicino o lontano da ciò che guarda. Poiché, invece, la velocità della luce presenta il valore finito c, ogni evento che avviene ad una certa distanza dall'osservatore è sempre caratterizzato da un ritardo temporale. Per questo motivo, l'uomo vede una fase antica delle stelle: la luce che percepiamo può essere stata emessa anche a distanza di molti anni, perché la luce impiega del tempo a percorrere spazi così vasti. Basti pensare che la stella più vicina alla Terra è Proxima Centauri, che dista 4,7 anni/luce.

Assodato che il tempo non è assoluto, questa fondamentale grandezza fisica non può scorrere con lo stesso ritmo in tutti i sistemi di riferimento. Con molta probabilità, se per un osservatore un fenomeno dura un certo intervallo di tempo Δt, per un altro, che si trovi in movimento rispetto al primo, dovrà durare un tempo diverso Δt'. Consideriamo un'astronave in movimento nello spazio in cui viene accesa una sorgente luminosa, che viene riflessa in uno specchio e ritorna così nel punto di partenza. Per un osservatore posto sulla Terra, però, l'astronave è in movimento: la luce emessa  dalla sorgente per lui, per raggiungere lo specchio e tornare indietro, percorre un tragitto più lungo, corrispondente ai lati obliqui di un triangolo, come si vede dall'immagine.

Nel primo caso si ha che

Nel secondo caso, mentre l'astronave percorre la distanza ,

Il cammino percorso dalla luce è

perciò:

            ma

posto ,

si ha che:

Poiché il fattoreè sempre maggiore dell'unità, l'intervallo di tempo Δt', che prende il nome di tempo proprio, è minore di Δt.

Questo fenomeno, in evidente contrasto con il concetto di tempo assoluto, rappresenta la cosiddetta dilatazione del tempo.

Nel 1911 Einstein aveva osservato che "se un organismo vivente, dopo un volo arbitrariamente lungo a una velocità approssimativamente uguale a quella della luce, potesse ritornare nel suo luogo di origine, egli sarebbe solo minimamente alterato, mentre i corrispondenti organismi rimasti già da tempo avrebbero dato luogo a nuove generazioni." Questa sconcertante affermazione è una diretta conseguenza della dilatazione del tempo: si ha il famoso paradosso dei gemelli. Se di due gemelli uno potesse andare ad osservare una lontana stella per ritornare sulla Terra dopo un intervallo di tempoanni, sempre viaggiando a velocità prossime a quella della luce, per esempio con , questo rimarrebbe molto più giovane del fratello gemello.

Infatti:

Ciò accadrebbe perché nel veicolo spaziale in movimento tutti i fenomeni temporali scorrono più lentamente rispetto alla Terra.

Einstein dimostrerà poi che anche le lunghezze e le distanze, come gli intervalli di tempo, sono delle grandezze relative, la cui misura dipende dal moto dell'osservatore.

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