Galileo Galilei “Meglio è una piccola verità, che una grande bugia”

Albert Einstein “Non penso mai al futuro. Arriva così presto.”

Dalla relatività di Galileo a quella di Einstein

Postato da on apr 22nd, 2010 e file sotto Primo Piano. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0. You can leave a response or trackback to this entry

Per il format “2012 new life” è con noi Catalina Curceanu, ricercatrice del laboratorio di fisica molecolare di Frascati. Dottoressa molto spesso quando, nell’immaginario collettivo, le persone pensano ai ricercatori, agli studi che questi portano aventi nei vari laboratori, non riescono a vedere il collegamento di questi  con la realtà concreta, la loro applicazione nel quotidiano, ma noi sappiamo che non è così vero?

No assolutamente, anzi vi ringrazio per darmi la possibilità di spiegare alle persone che noi siamo immersi in un campo di conoscenza, la nostra vita è fatta di conoscenza e dei frutti che questa conoscenza ha prodotto.

Per concludere questa parte del discorso, facciamo un esempio concreto citando una delle scoperte più rivoluzionarie della fisica, mi riferisco alla formula di Einstein  E = mc2   , per molte persone questa equazione  non ha alcun senso, rappresenta solo una serie di lettere  in sequenza,  ma in realtà la sua scoperta è stata una vera e propria rivoluzione che ha sconvolto il modo di interpretare il mondo fino ad allora.

Questa formula è il simbolo di una teoria più profonda, quella della relatività, che spesso ho visto stampata sulle magliette, anche se dubito che chi le indossava comprendesse a pieno il suo significato. Le luci che utilizziamo normalmente, o almeno una parte di loro, trae la propria energia dalle centrali nucleari che sono la diretta conseguenza dell’aver capito il collegamento fra l’energia e la massa, ovvero che la massa può essere trasformata in energia. Questo è il processo che viene attivato nelle centrali nucleari e che permette di ricavare una piccola parte dell’energia racchiusa nei nuclei  sotto forma di massa. La ricerca fornisce nuovi modi per comprendere la realtà e appena aumenta la conoscenza nasce l’esigenza di nuove teorie e modi per descrivere questo nuovo aspetto del mondo. Tuttavia i ricercatori amano anche la ricerca in sé, quella che aiuta a capire il mondo senza nessun riscontro pratico nell’immediatezza.      

Numerosi sono i nomi che hanno fatto la storia della fisica, ma due in particolare spiccano sopra gli altri, Galileo e Einstein, secondo lei perché?

Perchè sono i padri fondatori del sapere, della moderna ricerca, sono coloro che hanno, attraverso il loro pensiero, rivoluzionato i fondamenti di una realtà che sembrava ormai essere completa e conosciuta nella sua interezza.

Per entrambi si parla di fisica della relatività, ma sono teorie differenti l’una dall’altra, in cosa differiscono esattamente?

La fisica della relatività di Galileo è una trasposizione della natura in linguaggio matematico, e  lui che per primo si è “sporcato le mani”, uscendo dal proprio laboratorio e iniziando un percorso di fisica sperimentale,  e come lui stesso ha detto “La filosofia è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l’universo), ma non si può intendere se prima non s’impara a intender la lingua, e conoscer i caratteri, ne’ quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto. » Lui e’ il primo che ha utilizzato la matematica per descrivere la natura. Quando parliamo di relatività parlando di Galileo facciamo riferimento a un suo principio, vi faccio un esempio per capire meglio, se noi siamo in due sistemi di riferimento che si muovono in modo uno dipendente dall’altro, con  un moto regolare e costante, questi saranno soggetti alle stesse leggi fisiche. Non esiste un sistema di riferimento nell’universo che sia stazionario  e tutti gli altri si possono muovere, questo Galileo l’aveva compreso bene, tutti questi sistemi sono equivalenti fra loro. Le leggi della fisica non variano passando da un riferimento ad un altro, dove entrambi i riferimenti, però, siano di moto rettilineo e uniforme. Un altro grande merito di Galileo è quello di essere stato uno dei primi ad aver ipotizzato che la luce fosse misurabile e ad aver provato a misurarla, ovviamente i mezzi di cui disponeva allora non gli hanno permesso di riuscirci, ma questo non gli toglie il merito di averlo ipotizzato e di averci provato.

Quindi dopo la relatività di Galileo possiamo passare a quella di  Einstein, cosa ci può raccontare di questa teoria?   

 Prima di parlare di Einstein vorrei accennare ad un’altra grande figura della fisica, quella di Newton, che, come lui stesso ha affermato “è riuscito a guardare più in là rispetto agli altri, solo perché si è alzato sulle spalle dei giganti”, fra i giganti, ovviamente, annoverava anche Galileo. Ma tornando ad Einstein, la prima cosa da mettere in evidenza è stata la sua capacità di osare, lui ha osato andare contro il senso comune, ha osato prendere atto di alcuni fatti che già esistevano, come la radiazione del cosiddetto corpo nero, che non “quadravano” con le leggi della fisica del suo tempo. Ha postulato quindi una serie di fatti che la natura gli presentava davanti agli occhi, il primo di questi, da cui parte tutto, è quello sulla velocità della luce, assioma che sconvolge quanto fino a quel momento si era ipotizzato, e che è diventato la chiave per capire l’elettromagnetismo.

Abbia pazienza, ma quando lei parla di luce si riferisce anche a quella emessa dalle lampade che in questo momento ci stanno illuminando?     

Certo parlo anche di questa luce, ma non è la sola manifestazione però, mi riferisco più in generale a tutti i fenomeni elettromagnetici. Molto lunga e affascinante è la storia che ha portato alla nascita delle teorie formulate da  Einstein, qui mi limiterò a ribadire come lui abbia preso semplicemente atto di quanto era già stato messo in luce.

Qual è stata effettivamente la formulazione di Einstein?

Einstein ha scoperto che la velocità della luce è costante, infatti che la luce avesse una velocità lo si sapeva già e si sapeva già anche quale fosse questa velocità, 300mila Km/s, ed è avvicinandosi a questa velocità che, anche in natura, si cominciano a percepire fenomeni a dir poco strani, l’accorciamento delle distanze, la dilatazione delle durate. Una delle conseguenze principali della relatività ristretta di Einstein, che in qualche modo va a sostituirsi alla relatività di Galileo, è che le distanze e i tempi si dilatano e si accorciano, perché lo spazio e il tempo non sono più visti separati e nemmeno come entità assolute, questo lo aveva già postulato Newton, esiste un’unica entità, quella di spazio-tempo, che si trasforma in un modo unitario. Questo per la nostra esperienza quotidiana è bizzarro, ma per i fatti che riguardano le particelle, per tutti coloro che lavorano con gli acceleratori, ma anche con altri tipi di macchinari, questo è normale.

In pratica Einstein non ha rivoluzionato la vita di tutti i giorni, perché noi nel nostro vivere quotidiano rispondiamo, per così dire, alle leggi della fisica classica, ma ha rivoluzionato il modo di percepire lo spazio e il tempo?

Esatto in questo specifico caso, il tempo e lo spazio si rappresentano in maniera unitaria, tuttavia il discorso non è legato solo alla relatività, ma ad aprire la strada verso tutte le teorie moderne delle particelle, che sono la base per capire la natura e i suoi fenomeni. Oggi non si può prescindere dalla teoria della relatività per descrivere il mondo, questa ha permesso di allargare gli orizzonti rispetto alla precedente visione.

Fino ad ora abbiamo parlato della teoria della relatività ristretta, ma esiste anche la relatività generale, in che cosa consiste questa teoria?  

Questa teoria prende atto che nell’universo non esiste solo un moto rettilineo ed uniforme, ma esistono anche moti accelerati, per cui non sono più applicabili le sue trasformazioni studiate per sistemi di un moto rettilineo e costante. Einstein stesso formulerà le basi della teoria della relatività generale, dopo dieci anni dalla definizione di relatività ristretta però, perché ha dovuto combattere molte “battaglie”, anche con la matematica; infatti  la matematica della relatività generale, molto complessa fa affidamento anche sui tensori, prende atto dei sistemi di moto accelerato e riesce a fare un collegamento anche  con la gravità, dove l’accelerazione è un ingrediente fondamentale. L’equivalenza tra moto accelerato e campi di gravità apre quella porta che ci permette di capire anche il ruolo delle masse. Una delle formulazioni più coerenti e semplici della relatività generale è che è la materia a dire allo spazio-tempo come deformarsi e lo spazio-tempo dice alla materia come muoversi; Einstien ha descritto in un modello matematico questa deformazione, ovvero quanto è quella curvatura nelle vicinanze di quelle masse.

Questo però sempre avvicinandosi alla velocità della luce?             

Questo non c’entra con la velocità della luce.

Scusi ma se “buttassimo” all’interno dello spazio-tempo una massa, questa si curverebbe , e ciò non dovrebbe dimostrare che non esiste il vuoto?

Noi non dobbiamo immaginarci una curvatura di qualcosa di materiale.

Ipotizziamo che a lei sia data la possibilità di viaggiare alla velocità della luce su una super navicella e di  atterrare su di un pianeta anni luce distante da noi; una volta giunta lì, con un binocolo ultrapotente, potesse guardare qui dove sono rimasto io, lei cosa vedrebbe?

Questo assurdo ci riconduce alla teoria dei gemelli, un paradosso celebre, anche se poco conosciuto, anzi potremmo dire mal conosciuto,  che parte dal presupposto che tempo e spazio scorrono diversamente in sistemi di riferimento diversi. Se mettiamo un gemello su quest’ipotetica navicella, l’altro lo lasciamo a terra, e dopo un lungo viaggio su una stella lontana lo facciamo ritornare,  questo sarà più giovane rispetto al gemello rimasto a terra. Il paradosso risiede nell’idea che i due gemelli avranno nelle loro teste di essere più vecchio o più giovane a seconda del sistema che  prenderanno in considerazione.

Ma per chi li osserva da fuori  uno risulterà realmente più vecchio dell’altro?

Nella realtà, anche se ad oggi questo esperimento non è stato fatto, quello più giovane risulterebbe il gemello che ha viaggiato, perché lui per fare il viaggio andata e ritorno, deve ad un certo punto frenare e ripartire, non è un moto rettilineo ed uniforme, ma è un movimento che ad un certo punto subisce delle accelerazioni, che ci riconducono agli effetti della relatività generale. Il paradosso dunque si risolve se questo deve ritornare, perché entra in campo la relatività generale. Ci tengo a ricordare però che, per ora, siamo nel campo della pura ipotesi, infatti, ad oggi, le massime velocità a cui siamo arrivati corrispondono ad una frazione infinitesima della velocità della luce.

Ma nei laboratori esperimenti per raggiungere la velocità della luce li avete fatti?

Certo, ma con le particelle, che, effettivamente, hanno velocità prossima a quella della luce, e in verità ci sono delle particelle, che rispetto alle loro sorelle “ferme”, vivono più a lungo.

Quindi il paradosso dei gemelli è un paradosso, ma solo perché non abbiamo gli strumenti per raggiungere certe velocità? 

Esattamente, noi non possiamo percepirlo a livelli macroscopici. Vorrei solo aggiungere sulla teoria della relatività due nomi, per non fare un torto a due grandi fisici che hanno contribuito in maniera sostanziale alla sua definizione, le loro ricerche hanno indirizzato anche Einstein, ovvero Lorentz e Poincaré e concludere consigliandovi un libro “Pensieri di un Uomo curioso”, un raccolta dei pensieri di Albert Einstein, curata da Alice Calaprice, che riguardano non solo la fisica, ma tutti gli aspetti della sua vita.  Cito solo una frase di questo libro che introduce un altro campo di studio molto importante  portato avanti da Einstein, quello relativo alla meccanica quantistica, questa è la frase con cui inizia a parlare di questa ramo della fisica “Sembra difficile dare una sbirciata alle carte di Dio. Ma che Egli giochi a dadi e usi metodi “telepatici” […] è qualcosa a cui non posso credere nemmeno per un attimo»


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