L'evoluzione delle teorie fisiche Parte 1

Spazio-tempo e curve nella Relatività Einsteiniana

Una rappresentazione tridimensionale delle curve
spazio-temporali  quadridimensionali relativistiche

La scienza, ritenuta da molti come un sapere universale e immutabile, è in realtà dinamica e soggetta a modifiche continue. I positivisti, i filosofi che più di chiunque altro avevano fiducia nella scienza, avevano appurato come essa doveva essere soggetta a verificazione (vedesi Karl Popper) e strutturata in paradigmi (vedesi Thomas Kuhn) per permettere un sapere sempre più certo e un modello che si adatti di più alla realtà e meno a un pregiudizio.

Questa introduzione è fondamentale per l'argomento che mi appresto a trattare: i conflitti della fisica moderna e i modelli adottati come soluzione ad essi. È capitato più volte che un modello fisico appurato e dimostrato in maniera scientifica si sia trovato in pieno contrasto con un altro, e cosi si è giunti a ciò che è definita rivoluzione scientifica,ovvero l'introduzione di un nuovo paradigma onnicomprensivo.

Analizzerò quindi tre conflitti, di cui l'ultimo è tuttora la sede principale di discussione dei fisici moderni: il primo è tra meccanica Newtoniana e elettromagnetismo di Maxwell, il secondo tra la gravitazione universale di Newton e relatività ristretta, e infine l'ultimo tra relatività generale e meccanica quantistica.

Andiamo per ordine: il primo conflitto nasce dalla dimostrazione di Maxwell sulla costanza della velocità della luce e delle onde elettromagnetiche in generale. La meccanica di newton dimostrava invece che il moto era relativo in base al sistema in cui lo si osservava. Se tu lanci una pallina in un treno (che viaggia a 200 km/h) a 5 Km/h, per un osservatore esterno quella pallina può viaggiare a 205 km/h (se la pallina è lanciata nella stessa direzione del treno) e a 195 km/h (se in direzione contraria). La luce viaggia sempre a velocità costante: se due persone in un treno, poste a uguale distanza da una lampadina, sono tenute a firmare un documento nell'istante in cui si accende, per un osservatore esterno essi la firmeranno in due momenti diversi! Ciò sembra incredibile, eppure alla luce dei concetti che ora illustrerò risulterà perfettamente logico.

Colui che risolse tale conflitto fu Albert Einstein che introdusse la teoria della relatività ristretta. Essa si basava su due principi: che le leggi della fisica erano uguali in tutti i sistemi di riferimento inerziale (ovvero quelli fermi o in moto non accelerato), e che la velocità della luce fosse una costante. Da ciò egli deduce che ciò che era relativo da un sistema all'altro fossero appunto il tempo e lo spazio. Egli ipotizza che l'intera materia dell'universo si muovesse alla velocità della luce in direzione del tempo e pertanto quando essa si avvicina a velocità prossime a quella della luce, si verifica una dilatazione temporale e un restringimento spaziale. Estendendo tale teoria a diverse branche della fisica, come la quantità di moto, egli scopri un equivalenza tra materia e energia, da cui la nota formula E=mc². Tale formula anticipa diversi concetti della meccanica quantistica.

Seppur accompagnata da un'iniziale freddezza e scetticismo, la teoria portò a numerose conferme scientifiche, che resero Einstein celebre. Ma, in breve si notò un problematico conflitto tra la nuova teoria ed uno dei capisaldi della fisica dell'epoca. La relatività ristretta asseriva che nessuna informazione potesse viaggiare più veloce della luce, ma la formula della gravitazione universale di newton metteva in relazione due masse che interagivano in maniera istantanea, indipendentemente dalla loro distanza. Einstein intuì che le due teorie erano incompatibili, ma sicuro delle proprie scoperte decise di continuare le ricerche e di costruire un nuovo modello a partire da esse.

Ma la rivoluzione ci fu quando Einstein ebbe quella che definì la sua intuizione più felice: l'equivalenza tra un sistema accelerato ed uno soggetto a forza di gravità. Partendo da questa considerazione, egli formulò il principio della sua nuova teoria, quella della Relatività Generale. Tale principio asseriva che le leggi della fisica erano uguali in tutti i sistemi ,anche in quelli non inerziali, in quanto per un osservatore un sistema accelerato poteva essere rappresentato da uno soggetto alla forza di gravità. Da ciò egli scaturì un altro elemento fondamentale della sua teoria: le curvature spazio-temporali. Egli unì i fenomeni gravitazionali a quelli relativistici e affermò che in prossimità di un corpo estremamente massivo, la gravità operasse in modo da curvare la trama spazio-temporale circostante.

Tale teoria portò a risultati strabilianti: la scoperta del big bang, dei buchi neri, dell'espansione dell'universo ( che Einstein rifiutò, in quanto l'idea di un universo immutabile era troppo radicata, e che gli fece introdurre la costante cosmologica proprio per bloccare tale concezione, fin quando Edwin Hubble non la dimostrò) e del redshift e delle onde gravitazionali. Ma anch'essa, purtroppo, si dimostrò in contrasto con un altra teoria, quella della Meccanica Quantistica, e proprio a causa di questa conflittualità, incapace di spiegare a fondo alcuni dei fenomeni sopra citati. Nella prossima parte analizzeremo quindi la teoria subatomica, le teorie di campo quantistico e quindi illustrerò il terzo e ancora attuale dilemma della fisica teorica: la gravitazione quantistica