2.

La fisica prima della relatività

Le leggi della fisica classica, accettate prima della nascita della teoria della relatività, erano fondate sui principi della meccanica enunciati nel XVII secolo da Isaac Newton. La meccanica newtoniana differisce dalla meccanica relativistica sia nei principi fondamentali sia nella forma matematica, ma giunge a risultati equivalenti se applicata allo studio di processi che coinvolgono velocità piccole rispetto a quella di propagazione della luce. Una descrizione corretta di sistemi in moto con alte velocità richiede invece l’uso della relatività.

La differenza tra la descrizione classica e quella relativistica del comportamento di qualunque oggetto in movimento sta in un fattore introdotto alla fine del XIX secolo da Hendrik Antoon Lorentz e da George Francis Fitzgerald. Questo fattore si rappresenta generalmente con la lettera greca β (beta) e dipende dalla velocità dell’oggetto (v) secondo l’equazione:

dove c è la velocità della luce. Per velocità ordinarie, il valore di beta si discosta dall’unità di quantità infinitesime: di conseguenza, le correzioni relativistiche sono di scarsa importanza per la maggior parte dei fenomeni che hanno luogo sulla Terra, ma diventano significative negli studi astronomici, che riguardano corpi con velocità molto elevate. Analogamente, l’approccio relativistico è dunque fondamentale quando entrano in gioco distanze o masse molto grandi.

1.

Il principio di relatività galileiana

Nell’ambito della fisica classica l’analisi dei sistemi inerziali, ossia in moto rettilineo uniforme uno rispetto all’altro, veniva condotta sulla base delle trasformazioni di Galileo, che fornivano le relazioni tra le coordinate e la velocità di un punto in ciascuno dei due sistemi. Come conseguenza di queste trasformazioni – lineari nelle velocità e nella variabile temporale – le leggi della meccanica newtoniana mostrano la medesima struttura in tutti i sistemi di riferimento inerziali: questa proprietà dei sistemi di riferimento inerziali va sotto il nome di principio di relatività galileiano.

2.

Presupposti alla nascita di una nuova teoria

Lo spunto alla ricerca di nuove trasformazioni di coordinate per il cambiamento di sistemi di riferimento venne dalla osservazione, maturatasi alla fine dell’Ottocento, che le equazioni di Maxwell, il nucleo dell’elettromagnetismo, non erano invarianti per trasformazioni di Galileo. Questa considerazione mise in dubbio la validità del principio di relatività galileiano e quindi l’equivalenza di tutti i sistemi di riferimento inerziali. Per risolvere l’inconsistenza, venne introdotto il concetto di etere, una sostanza ideale in cui si ipotizzava avvenisse la propagazione delle onde elettromagnetiche, e fu definita l’esistenza di un sistema di riferimento privilegiato, a riposo rispetto all’etere.

Per convalidare questa interpretazione si rendeva necessaria una prova sperimentale all’esistenza dell’etere. Con questo intento, nel 1887, i fisici Albert Michelson ed Edward Williams Morley misero a punto il celebre esperimento, oggi ricordato appunto come “esperimento di Michelson e Morley”, che aveva per obiettivo di mostrare l’evidenza del moto della Terra rispetto all’etere. Secondo l’interpretazione della luce come radiazione elettromagnetica, infatti, l’etere avrebbe dovuto permeare tutto lo spazio per consentire la propagazione della radiazione solare e dunque la Terra eseguiva i suoi moti di rivoluzione e rotazione immersa nell’etere.

2.1.

L’esperimento di Michelson e Morley

L’esperimento si basava sulla considerazione che, se il Sole era fermo nello spazio, e dunque costituiva il sistema di riferimento privilegiato a riposo rispetto all’etere, la Terra avrebbe dovuto avere, a causa del suo moto di rivoluzione, una velocità costante di 29 km/s nell’etere; se viceversa il Sole e l’intero sistema solare erano in moto nello spazio, la variazione della direzione del moto orbitale della Terra avrebbe dovuto modificare la velocità apparente della Terra rispetto al Sole, con un contributo positivo in certe stagioni dell’anno e negativo in altre. Il risultato dell’esperimento di Michelson e Morley fu che la velocità della Terra rispetto all’etere era nulla in qualsiasi periodo dell’anno, confutando l’esistenza del mezzo cosmico ipotizzato.

Nella pratica, la realizzazione dell’esperimento consisteva nella rilevazione di una differenza di velocità di propagazione della luce fra due raggi raggi luminosi perpendicolari. Infatti, secondo la legge di composizione delle velocità, se un raggio di luce e un osservatore si muovono nello spazio nella stessa direzione, in particolare rispettivamente alle velocità di 300.000 km/s e 29 km/s, la luce dovrebbe superare l’osservatore con una velocità apparente data dalla differenza fra le due; viceversa, se l’osservatore si muove in direzione opposta, la velocità apparente della luce dovrebbe essere la somma delle due velocità (analogamente si può dire se il moto relativo dell’osservatore e del raggio di luce sono perpendicolari). L’esperimento di Michelson e Morley, pur utilizzando un sofisticato strumento di misura – un interferometro – sensibile a differenze di velocità piccolissime, non riuscì a misurare alcuna discrepanza fra le velocità dei due raggi di luce.

L’esperimento dimostrò così l’indipendenza della velocità della luce dalla direzione di propagazione e il risultato, interpretato come prova dell’inesistenza dell’etere, fu una conferma del principio di relatività galileiano ed escluse la possibilità di un sistema di riferimento privilegiato.

Nel 1904 Lorentz modificò le trasformazioni di Galileo per ottenere un insieme di equazioni, note oggi come trasformazioni di Lorentz, rispetto alle quali fossero invarianti le leggi dell’elettromagnetismo.