Fisica moderna - relativita' generale

FISICA MODERNA - RELATIVITA' GENERALE

La luce viene oggi spiegata secondo la meccanica quantistica; d'altronde questa teoria è incompatibile con la relatività generale, e compito della fisica moderna è di risolvere l'antinomia e giungere ad una cosiddetta 'teoria del tutto'.

La fisica moderna si basa su due fondamentali pilastri:

• La relatività generale di Einstein, che serve a spiegare l'universo a grande scala
• La meccanica quantistica, che permette di comprendere l'universo alle scale più piccole

Nonostante entrambe le teorie siano state confermate sperimentalmente,  esse non possono essere giuste entrambe, sono cioè incompatibili fra loro. La  soluzione di questo dilemma è il problema centrale della fisica contemporanea.

Generalmente, i fisici si rivolgono di volta in volta alla relatività generale oppure alla meccanica quantistica, e solo in situazioni eccezionali abbiamo bisogno sia dell'una che dell'altra. Per esempio, quando ci occupiamo del centro di un buco nero (in cui una massa enorme ha dimensioni minuscole) o dell'origine dell'universo (all'epoca del big bang, l'intero universo è schizzato fuori da un punto: densità e ed energia erano praticamente infinite).

Le equazioni delle due teorie, se combinate, forniscono risultati privi di senso.

La teoria delle superstringhe, seppur giovane (elaborata negli anni '80) e non ancora compiuta, forse risolve il conflitto fra le due grandi teorie:

in questa teoria relatività generale e meccanica quantistica hanno bisogno l'una dell'altra per dare senso al tutto;

inoltre,  la teoria introduce un'unica equazione fondamentale, che descrive un unico principio fisico che regola l'universo.

Ecco l'idea base su cui si fonda tale teoria: le particelle fondamentali che costituiscono la materia e che sono descritte nel Modello Standard (quark e leptoni) non sono puntiformi, ma consistono di un minuscolo anello unidimensionale, cioè un filamento che danza, oscilla, vibra. I fisici moderni lo hanno chiamato stringa.

Tale teoria potrebbe anche rappresentare la "Teoria del Tutto", TOE, in base alla quale tutta la materia e tutte le forze sarebbero unificate come oscillazione delle stringhe.

Abbiamo già introdotto la relatività ristretta, dunque, per la relatività generale ci limiteremo a dire che estende i principi della ristretta a tutte le situazioni:

"La relatività generale estende le leggi della relatività ristretta, valide solo per i sistemi in moto relativo rettilineo uniforme, anche ai sistemi non inerziali.  Mentre in base al principio di relatività (nucleo della relatività ristretta) le leggi della fisica appaiono identiche a tutti gli osservatori in moto uniforme (a velocità costante), ma non accelerato (essa esclude quindi un gran numero di situazioni), la relatività generale afferma che tutte le leggi della fisica devono avere la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento."

Inoltre, la R.G. introduce la curvatura dello spazio tempo:

in assenza di materia ed energia, lo spazio è piatto;

Einstein si accorse che le relazioni spaziali della geometria piana non sono valide per un osservatore in moto accelerato. Ciò significa che il moto accelerato fa' curvare lo spazio. (In realtà, esso fa' curvare anche il tempo, infatti, come abbiamo visto, spazio e tempo variano in maniera inversa secondo uno stesso fattore di contrazione).

La relatività generale si basa sul principio di equivalenza per il quale esiste un legame fra forza di gravità e moto accelerato.

Non esiste infatti differenza fra un osservatore che non sente il campo gravitazionale ed uno che non sta accelerando: gravità e moto accelerato sono indistinguibili negli effetti.

Gli osservatori che sembrano in moto accelerato possono sostenere di essere a riposo, dal loro punto di vista, perché possono attribuire la forza che avvertono ad un campo gravitazionale.

Un esempio, fornitoci dallo stesso Einstein, chiarisce il significato del principio di equivalenza.

Consideriamo un uomo in ascensore sospeso dal suolo che lascia cadere il proprio accendino. Egli vede che l'accendino cade sul pavimento, proprio come se fosse a terra. Conclude così che una forza, la gravità, attira verso il pavimento tutti i corpi presenti nell'ascensore. Ammettiamo che l'ascensore venga prelevato da una magica gru, allontanato dalla Terra e lasciato nello spazio senza che il suo ospite se ne accorga; ammettiamo anche che il moto dell'ascensore venga costantemente accelerato verso l'alto di 9,8 m/s². Lasciando l'accendino, l'osservatore lo vedrebbe di nuovo cadere sul pavimento, e potrebbe concludere che egli si trova ancora sulla Terra. Se non guarda dal finestrino, non ha nessuna possibilità di verificare che a far cadere l'accendino stavolta è la forza inerziale e non la forza di gravità. 

Dunque il  principio di equivalenza ci dice che gravità e moto accelerato sono indistinguibili negli effetti: visto che il moto accelerato si accompagna alla curvatura dello spazio e del tempo, la gravità è la curvatura dello spazio e del tempo.

Mentre per Newton, una stella tiene un pianeta in orbita grazie ad un non ben identificato "guinzaglio" gravitazionale, che istantaneamente si propaga ed "afferra" il pianeta, per Einstein la gravità coincide cioè con la trama stessa del cosmo, ed il pianeta si trova a "rotolare" nell'incavo spaziotemporale generato dalla massa della stella.

Inoltre E. risolve l'incompatibilità tra la teoria sulla gravitazionale di Newton e la relatività ristretta: nulla poteva viaggiare più veloce della luce secondo la R.R., d'altro canto Newton affermava che la forza di gravità si propagasse istantaneamente; Einstein stabilì che le perturbazioni gravitazionali, dunque le deformazioni dello spazio-tempo indotte dalla presenza di massaenergia si propagano alla velocità della luce.