La grande risorsa di Einstein era la sua immaginazione, caratterizzata da una fantasia infantile, libera dagli schemi imposti dalla maturità realistica.
Velocità costante della luce
È possibile che la prima ispirazione per lo scienziato sia stato il treno diretto alla stazione di Zurigo, dove Albert Einstein visse e lavorò. Mentre ci spostiamo lentamente dalla stazione, guardando fuori dalla finestra, vediamo la piattaforma che se ne va. Un adulto capirà subito che non è un binario quello che si muove, ma un treno. Tuttavia, Einstein si è chiesto: come facciamo a saperlo?
La risposta è la Terra. Questo è ciò che consideriamo stazionario, e quindi attribuiamo velocità agli oggetti rispetto ad esso. Ma se la Terra non esistesse? Come facciamo a sapere se la nostra navicella spaziale si sta muovendo o la stazione spaziale si sta allontanando da noi? La prima cosa che mi viene in mente sono le leggi della fisica. Forse ci sono delle regole che tengono conto della velocità, e in questo modo impariamo dal corso dei fenomeni se siamo in piedi o in movimento?
Il miglior candidato sono i campi magnetici ed elettrici. A scuola, abbiamo imparato che si tratta davvero di una forza: l’elettromagnetismo. Il lavoro del fisico olandese Hendrik Lorenz mostra che la luce, che in realtà è un campo elettromagnetico alternato, deve muoversi sempre alla stessa velocità, indipendentemente dal nostro movimento.
Come controllare? Poiché sappiamo che la Terra si muove (abbastanza velocemente) attorno al Sole e attorno al suo asse, allora se la velocità della luce dipende dal movimento, un raggio di luce che si muove da ovest verso est – e quindi nella direzione del movimento della Terra – dovrebbe seguire la stessa via, diversa dalla seconda, da nord a sud. Un tale esperimento è stato condotto dagli scienziati americani Albert A. Michelson e Edward Morley. E si è scoperto che la velocità della luce non dipende davvero dalla direzione del suo movimento.
Relatività speciale
Il movimento esiste solo nel contesto di due osservatori che confrontano i loro sistemi, è sempre reciproco e non ha senso definire sistemi in quiete. Pertanto, tutte le teorie fisiche corrette devono essere indipendenti dalla velocità e dalla posizione, e anche dal tempo. Se così fosse, sarebbe possibile distinguere tra sistemi mobili e fissi.
Come venire a patti con questa velocità costante della luce? Dopotutto, questo significa che se il “faro” spaziale inviasse un segnale luminoso e colpissimo un razzo che vola a una velocità prossima a quella della luce e inseguissimo questo segnale, si allontanerebbe altrettanto rapidamente da noi e dal faro . Questo è paradossale, ma non l’immaginazione di un bambino.
Se è così, allora o la distanza tra noi e il raggio aumenta o il tempo rallenta per noi. Il grado di allungamento dello spazio o dilatazione del tempo è proporzionale alla velocità relativa. Nel caso della ricerca della luce, lo spazio si allungherà all’infinito e il tempo si fermerà.
Raggiungiamo un punto in cui la nostra immaginazione potrebbe non essere sufficiente per noi. Cosa significa che il tempo si fermerà? Ci congeleremo in una posizione? Ebbene, no, vivremo normalmente nel nostro quadro di riferimento, ma ci sentiremo come divinità che esistono al di fuori del tempo del resto dell’universo. Ma poiché il movimento è relativo e reciproco, possiamo dire lo stesso del mondo esterno a noi. Allora, cos’è la simultaneità? Come si concilia il principio di causa ed effetto con questo?
Tutte le implicazioni della teoria della relatività non sono ancora state comprese. Einstein ne nominò due dei più importanti. Primo, è impossibile raggiungere la velocità della luce. L’energia richiesta per aumentare la velocità aumenta inversamente alla differenza tra essa e la velocità della luce. Un oggetto che si muove alla velocità della luce avrà un’energia infinita. Ma poiché il moto è relativo, cos’è questa energia? Come ricordiamo da scuola, l’energia del movimento è proporzionale alla velocità e alla massa. Quindi, Einstein ha detto che dovrebbe essere enorme. Da ciò derivò la sua equazione più famosa. E=mc^2 – la massa è una forma di energia a riposo.
La seconda conclusione dalla costanza della velocità della luce è la necessità di integrare il tempo come quarta dimensione nello spazio tridimensionale a noi noto, già descritto nell’antichità da Euclide. Solo lo spazio-tempo così creato, prima definito dal matematico tedesco Hermann Minkowski, descriverà correttamente la fisica. Un punto nello spaziotempo è una posizione specifica nello spazio in un punto specifico nel tempo. Il segmento di spazio-tempo che collega due dei suoi punti è la distanza tra due eventi.
Relatività generale
La massa non è solo una misura della forza che deve essere applicata per mettere in movimento un oggetto, e quindi il suo grado di inerzia. La massa è anche la fonte della gravità. Queste definizioni si riferiscono a fenomeni completamente diversi. Possono contenere la stessa quantità fisica? Tali “incidenti” non accadono in natura.
L’esperimento corrispondente è stato condotto dal geofisico ungherese Lorand Eötvös utilizzando un pendolo di torsione. Si è scoperto che le masse inerziali e gravitazionali sono assolutamente uguali. Per Einstein, questa era la prova che, come i campi elettrico e magnetico, gravità e inerzia devono seguire lo stesso schema. Sotto l’influenza di una forza, cambiamo il valore o la direzione della nostra velocità, che in fisica è chiamata accelerazione. L’accelerazione è un cambiamento di velocità e la velocità è sempre relativa. Poiché il movimento stesso è relativo, anche l’accelerazione deve essere relativa.
Ispirato dall’esempio della Terra, la superficie curva su cui viviamo e misuriamo, Einstein sapeva che una superficie piana non era l’unica possibilità consentita dalla geometria. Se lo spazio-tempo quadridimensionale non fosse un piano, allora le traiettorie degli oggetti privi di qualsiasi interferenza esterna e, quindi, che si muovono in linea retta secondo le leggi della fisica classica, dovrebbero essere curve.
In alcuni sistemi ciò potrebbe essere spiegato dalla gravità, in altri – dall’inerzia e nel modello – semplicemente dalla curvatura dello spazio. Due treni che viaggiano su binari paralleli adiacenti o sullo stesso binario ma a intervalli costanti possono scontrarsi.
Era necessario ripensare i concetti di parallelismo e diretto, oltre che il concetto di tempo. Poiché lo spazio è curvo, anche la luce deve essere curva in tali curve. Poiché la curvatura deve produrre effetti come la gravità, ogni massa deve creare disomogeneità spazio-temporali e quindi, ad esempio, influenzare il trascorrere del tempo.
Molte di queste conclusioni sono state confermate sperimentalmente, come il flusso irregolare del tempo nel punto più vicino e più lontano dell’orbita di Mercurio, che porta ai suoi lenti cambiamenti, o la capacità di vedere le stelle nascoste dietro altri enormi corpi cosmici. Molti altri sono ancora in attesa di conferma.
