Questo articolo è stato scritto da David Lyth della Lancaster University ed è stato originariamente pubblicato da The Conversation.

La gravità lega i nostri corpi al pianeta Terra ma non definisce i limiti dell’impennata della mente umana. Nel novembre 1915 – esattamente un secolo fa – questo è stato dimostrato essere vero quando Albert Einstein, in una serie di conferenze presso l’Accademia Prussiana delle Scienze, ha presentato una teoria che avrebbe rivoluzionato il nostro modo di vedere la gravità – e la fisica stessa. Per due secoli, la teoria notevolmente semplice ed elegante della gravitazione universale di Newton sembrava spiegare bene la materia. Ma, come è sempre più vero per la fisica, la semplicità non è più sufficiente.

Il punto di partenza di Einstein per la relatività generale era la sua teoria della relatività speciale, pubblicata nel 1905. Questa spiegava come formulare le leggi della fisica in assenza di gravità. Al centro di entrambe le teorie c’è una descrizione dello spazio e del tempo diversa da quella che il senso comune suggerirebbe.

Le teorie spiegano come interpretare il movimento tra luoghi diversi che si muovono a velocità costante l’uno rispetto all’altro – piuttosto che rispetto a una sorta di etere assoluto (come Newton aveva supposto). Mentre le leggi della fisica sono universali, si dice, spettatori diversi vedranno la tempistica degli eventi in modo diverso a seconda della velocità con cui stanno viaggiando. Un evento che sembrerebbe richiedere 1.000 anni se visto dalla Terra può sembrare richiedere solo un secondo per qualcuno in un veicolo spaziale che viaggia a grande velocità.

Al centro delle teorie di Einstein c’è il fatto che la velocità della luce è indipendente dal movimento dell’osservatore che sta misurando la velocità. Questo è strano, perché il senso comune suggerisce che se si sta seduti in macchina lungo un binario ferroviario, un treno che passa sembrerà muoversi molto più velocemente che se lo si segue nella stessa direzione.

Tuttavia, se invece si sta seduti a guardare un raggio di luce che passa, questo si muoverà alla stessa velocità indipendentemente dal fatto che lo si stia seguendo o meno – una chiara indicazione che qualcosa non va nel senso comune.

L’implicazione di questa teoria è che dobbiamo rinunciare all’idea che esista un tempo universale, e accettare che il tempo registrato da un orologio dipende dalla sua traiettoria mentre si muove attraverso l’universo. Questo significa anche che il tempo passa più lentamente quando si va veloce, il che significa che un gemello che va nello spazio invecchierà più lentamente del suo fratello sulla Terra.

Questo “paradosso dei gemelli” può sembrare una stranezza matematica, ma è stato effettivamente verificato sperimentalmente nel 1971 in un esperimento con orologi atomici su voli commerciali.

La relatività speciale funziona solo per telai inerziali che si muovono uno rispetto all’altro se si muovono a velocità costante – non può descrivere cosa succede se stanno accelerando. Einstein si chiese come espanderla per includere tale accelerazione e permettere la gravità, che causa l’accelerazione e che, dopo tutto, è ovunque.

Si rese conto che l’effetto della gravità scompare se non si cerca di superarla. Immaginò delle persone in un ascensore il cui cavo si era rotto in caduta libera e calcolò che, poiché gli oggetti galleggiavano immobili o a velocità costante, le persone non avrebbero sentito la gravità. Ma oggi sappiamo che questo è vero, dato che lo abbiamo visto noi stessi nelle persone della stazione spaziale internazionale. In entrambi i casi non ci sono forze che contrastano l’effetto della gravità e le persone non sentono la gravità.

Spazio-tempo curvo. Mopic

Einstein si rese conto anche che l’effetto della gravità è lo stesso dell’effetto dell’accelerazione; partire ad alta velocità ci spinge indietro, proprio come se la gravità ci tirasse. Questi due indizi portarono Einstein alla relatività generale. Mentre Newton aveva visto la gravità come una forza che si propaga tra i corpi, Einstein la descrisse come una pseudo forza sperimentata perché l’intero tessuto intrecciato di spazio e tempo si piega intorno a un oggetto massiccio.

Einstein stesso disse che il suo percorso era tutt’altro che facile. Scrisse che “in tutta la mia vita non ho mai faticato così tanto, e mi sono impregnato di un grande rispetto per la matematica, la cui parte più sottile avevo considerato nella mia semplicità mentale come puro lusso fino ad ora”.

Le prove

Appena Einstein scoprì la relatività generale, si rese conto che essa spiega il fallimento della teoria di Newton nel rendere conto dell’orbita di Mercurio. L’orbita non è del tutto circolare, il che significa che c’è un punto in cui è più vicino al sole. La teoria di Newton prevede che questo punto sia fisso, ma l’osservazione mostra che ruota lentamente intorno al sole ed Einstein ha scoperto che la relatività generale descrive correttamente la rotazione.

“Ero fuori di me dalla gioia”, scrisse qualche mese dopo. Da allora, la relatività generale ha superato a pieni voti molte prove osservative.

Si usa la relatività generale ogni volta che si invoca il sistema GPS per conoscere la propria posizione sulla superficie terrestre. Quel sistema emette segnali radio da 24 satelliti e il ricevitore GPS nel tuo telefono o nella tua auto analizza tre o più di questi segnali per capire la tua posizione usando la relatività generale. Se aveste usato la teoria di Newton, il sistema GPS avrebbe dato la posizione sbagliata.

Ma mentre la relatività generale funziona bene per descrivere il mondo fisico su larga scala, la meccanica quantistica è emersa come la teoria di maggior successo per particelle minuscole come quelle che compongono un atomo. Proprio come le teorie della relatività, la meccanica quantistica è contro intuitiva. Se sia possibile unire le due rimane da vedere, ma è improbabile che reintroduca il buon senso nella fisica.

David Lyth, professore emerito di fisica, Lancaster University.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato da The Conversation. Leggi l’articolo originale.