Teoria fisica impostata da Galileo Galilei, con riferimento al moto dei corpi che osserviamo sulla Terra, e precisata da Albert Einstein
Teoria fisica impostata da Galileo Galilei, con riferimento al moto dei corpi che osserviamo sulla Terra, e precisata da Albert Einstein, con riferimento agli oggetti che si muovono nello spazio con velocità prossima a quella della luce. Le teorie sulla relatività riguardano le leggi della fisica e la maniera con cui esse si manifestano in diversi sistemi in movimento relativo l’uno rispetto all’altro.
Per fare un esempio, immaginiamo di voler verificare la legge del movimento di un pendolo collocato sopra un treno in movimento a velocità costante, oppure in un laboratorio terrestre. In entrambi i casi si trova che la legge del pendolo è la stessa, cioè il periodo di oscillazione è costante e dipende soltanto dalla lunghezza del filo che trattiene il peso.
Questo fatto è vero per tutte le leggi della meccanica, sicché non esiste alcun mezzo per decidere, mediante osservazioni fisiche, se è il treno che si muove rispetto alla Terra, o la Terra che si muove rispetto al treno. Questa è la prima affermazione della relatività galileiana, che trova un ampliamento per le leggi fisiche, studiate rispetto a sistemi in moto reciproco rettilineo e uniforme, nella relatività ristretta di Einstein.
Questa teoria spiega una serie di esperienze che furono realizzate, con esito negativo, durante la seconda metà del secolo, per cercare di misurare la velocità «assoluta» della Terra rispetto a un’ipotetica e invisibile sostanza che veniva chiamata «etere». Dunque, la velocità assoluta non esiste e tutti i moti non sono altro che spostamenti relativi di un sistema rispetto ad altri.
Questa constatazione del principio della relatività è associata a un fatto che può sembrare a prima vista incredibile: se si lancia da un’auto in corsa una palla, la velocità della palla e quella dell’auto si sommano; se dall’auto noi lanciamo un raggio di luce, la velocità della luce (300.000 km/s) dovrebbe analogamente sommarsi alla velocità dell’auto (la luce dovrebbe cioè correre a 300.000 km + 30 m/s se l’auto va a circa 100 km/h). Accade invece che la velocità della luce rimane costante, anche se proviene da una velocissima astronave.
Associando queste affermazioni (l’inesistenza del moto assoluto e la costanza della velocità della luce), Einstein trasse una serie di conseguenze logiche del tutto rivoluzionarie. Eccone alcuni esempi: il tempo misurato in due sistemi in moto l’uno rispetto all’altro non è lo stesso; un corpo in movimento si schiaccia nella direzione del moto; la massa di un corpo cresce con la velocità e diventa infinita alla velocità della luce; ne consegue che la massa e l’energia si possono trasformare l’una nell’altra e la famosa relazione di Einstein, che ormai tutti conoscono, E = mc2 (dove E = energia, m = massa, c = velocità della luce) esprime appunto l’equivalenza fra energia e massa.
Sperimentalmente tutte queste affermazioni sono state confermate e proprio l’equivalenza fra diminuzione di massa e produzione di energia ha portato negativamente alla realizzazione delle bombe atomiche, e positivamente dei reattori nucleari per scopi pacifici. Gli effetti della relatività si manifestano in maniera apprezzabile quando le velocità relative dei sistemi in movimento sono vicine alla velocità della luce. Per questo molti effetti relativistici sono stati confermati dallo studio delle particelle elementari, che spesso raggiungono velocità prossime a quella della luce.
Per la stessa ragione alle velocità piccole gli effetti relativistici non si osservano: un tram in corsa ha per noi la stessa lunghezza di un tram fermo e non si schiaccia per effetto della velocità; l’orologio sul tram avanza alla stessa velocità dell’orologio del capolinea; la massa del tram non aumenta apprezzabilmente per effetto del movimento. Oltre alla teoria della «relatività ristretta», Einstein creò anche la teoria della «relatività generale», che si applica ai moti con velocità variabile, cioè ai moti accelerati.
Questa teoria suggerisce anche una spiegazione della gravitazione universale e parte dalla seguente osservazione: quando un ascensore si mette in moto oppure si ferma, noi subiamo una scossa, a causa delle forze che si manifestano nel nostro corpo in conseguenza del brusco cambiamento di velocità; la forza peso, l’accelerazione di gravità, e più in generale la forza di gravitazione, possono essere spiegate, secondo Einstein, allo stesso modo; in altre parole, la gravitazione non è distinguibile dalla forza dovuta a un cambiamento di velocità.
Alcune conseguenze della relatività generale sono state provate sperimentalmente: per esempio, secondo questa teoria anche la luce deve subire l’influenza della gravitazione, cioè anche la luce ha un peso; questo fatto è stato sperimentalmente provato osservando che la luce di una stella viene deviata quando passa vicino al bordo del Sole, dove subisce l’influenza della enorme forza gravitazionale dovuta a questo astro.
Altre conseguenze, come l’esistenza delle onde gravitazionali, attendono ancora una conferma sperimentale.