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La relatività e il relativismo.
L’etere, la simultaneità, la causalità e le teorie equivalenti.
La teoria della Relatività Ristretta è una teoria scientifica e come tale partendo dai postulati su cui
si fonda arriva alla sua struttura logica coerente e fornisce l’interpretazione di un’innumerevole
serie di fenomeni sperimentali. Il relativismo afferma che tutti gli osservatori inerziali sono
equivalenti l’uno all’altro e le loro osservazioni sono ugualmente valide.
Introduzione e primi concetti. (da pagina 1 a pagina 15 )
Il 30 giugno del 1905 la rivista tedesca Annalen der Physik riceve una comunicazione da parte di un
giovane impiegato all’ufficio brevetti di Berna dal titolo Sull’elettrodinamica dei corpi in
movimento.
Il giovane impiegato era Albert Einstein e il suo lavoro doveva cambiare per sempre la concezione
dello spazio e del tempo. Nasceva quella che Max Planck chiamò teoria della Relatività Ristretta;
ma Einstein non immaginava un tale nome per la sua creazione, la si doveva chiamare teoria
dell’invarianza: tutte le leggi della fisica dovevano essere invarianti qualunque fosse lo stato di
moto relativo dell’osservatore. Non tutti gli scienziati contemporanei ad Einstein compresero la
Relatività Ristretta, in particolare alcuni modelli fisici sviluppati da altri ricercatori sembravano
fornire risultati sperimentali che mal si accordavano con la relazione tra energia e massa prevista
da Einstein. Ma Einstein che aveva costruito un edificio teorico articolato e coerente non
indietreggiò di un passo, fino a quando negli anni 1914 - 1916 con l’affinamento delle tecniche
sperimentali arrivò la conferma sperimentale favorevole.
L’anno memorabile (non solo relatività). (da pagina 16 a pagina 35)
Albert Einstein era nato in Germania a Ulm nel 1879. La formazione culturale del giovane Einstein,
nel corso degli anni, era passata dal rigido sistema scolastico tedesco a quello più umano che
trovò in Svizzera anche se in questa nazione doveva sperimentare una forma di incomprensione
con un docente del Politecnico di Zurigo, che sembrava precludere la carriera accademica del
giovane scienziato. Finalmente nel 1909 Einstein ottenne un posto di assistente all’Università di
Zurigo, nel 1911 una cattedra a Praga e dopo una lunga esperienza berlinese dal 1914 al 1933, a
seguito dell’avvento del nazismo, raggiunse gli stati Uniti a Princeton. Durante gli anni in cui
prestava servizio all’ufficio brevetti di Berna, sopraggiunse per Einstein il suo anno memorabile, il
1905, che non fu solo quello in cui venne alla luce la Relatività Ristretta ma anche quello in cui
fiorì e si sviluppò la doppia natura corpuscolare e ondulatoria del campo elettromagnetico.
Fisica e filosofia. Relatività e relativismo! Ma non solo. (da pagina 36 a pagina 52)
Ma cosa afferma la teoria della Relatività Ristretta e cosa ha in comune con il Relativismo? Diversi
osservatori Oi vedono lo stesso orologio muoversi con velocità differenti e tutti osservano il ritmo
vi 2
degli orologi rallentato secondo il fattore, dipendente dalla velocità, R  vi   1  2 . Ma qual è il
c
tempo vero? La relatività dice che la domanda non ha alcun senso e che tutti i punti di vista dei
diversi osservatori sono ugualmente validi. Ecco comparire il relativismo nella descrizione
dell’universo. Il relativismo di Einstein è di derivazione “positivista” ed in questo si vede l’influenza
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di Ernst Mach. Il fisico e filosofo della scienza Ernst Mach è indubbiamente la persona che più
influenzò il giovane Einstein. Ma quando l’esasperato fenomenismo ed empiriocriticismo,
secondo il quale la scienza era un insieme di relazioni tra dati sperimentali, cominciava a porre dei
freni all’immaginazione di Einstein, questi cominciò ad allontanarsi dal pensiero del filosofo.
Mentre si ricorda la grandezza di Mach per il suo spirito critico, per la sua reazione allo spazio
assoluto di Newton, per il principio che porta il suo nome e per la nascita della corrente
neopositivistica del Circolo di Vienna, non si può non ricordare come il suo miope fenomenismo gli
impedì di ammettere l’esistenza degli atomi ma non gli impedì di combattere una battaglia per
certi versi tragica con un altro grande della scienza di nome Boltzmann.
I postulati della relatività ristretta. (da pagina 53 a pagina 61)
Pertanto, dalla critica positivistica negativa nei confronti di spazio e tempo ha origine il primo
postulato della Relatività Ristretta, il principio di invarianza delle leggi fisiche, che trova una
naturale contestualizzazione nella teoria della Relatività Generale. Il secondo postulato, la
costanza della velocità della luce, non è del tutto indipendente dal primo anzi può essere visto
come una conseguenza diretta del primo, se è vero che tutte le equazioni della fisica devono
essere invarianti. La dualità onda corpuscolo, il cui massimo artefice era stato lo stesso Einstein
nel 1905, creava uno scompenso e lo stesso Einstein forse credeva che le equazioni di Maxwell
non avessero una validità poi così assoluta. Ecco perché Einstein introdusse il postulato della
costanza della velocità della luce.
Le trasformazioni di Lorentz e le loro conseguenze per lo spazio e il tempo. Il concetto di
simultaneità. Sincronizzazione degli orologi. (da pagina 62 a pagina 95)
Dai due postulati seguono le trasformazioni di Lorentz , che legano le coordinate spazio temporali
di due sistemi di riferimento inerziali in moto relativo con velocità costante, e da queste si
traggono le due importanti conseguenze: la contrazione delle lunghezze e la dilatazione dei tempi.
La lunghezza di un regolo è massima nel sistema in cui è a riposo e il passo di un orologio è minimo
nel sistema in cui è immobile. Come si può non parlare della relatività della simultaneità - due
eventi simultanei in un sistema inerziale S non lo sono più in un altro S ' in moto relativo rispetto
al primo - e dell’impossibilità da parte della Relatività Ristretta di ammettere l’esistenza dei segnali
superluminali - se esistessero dei segnali superluminali, nel contesto della relatività ristretta
l’ordine temporale causa effetto, che deve essere lo stesso per tutti gli osservatori, verrebbe a
cadere.
Il concetto di simultaneità relativa è una conseguenza della sincronizzazione relativistica e deriva
dal postulato della costanza della velocità della luce: quando la luce raggiunge un punto P a
distanza d dall’origine O di un sistema di riferimento, l’osservatore posto in P misura un tempo
d
tp  .
c
La velocità della luce e il concetto di etere nella storia della fisica. (da pagina 96 a pagina
133)
Le prime misure della velocità della luce condotte dall’astronomo danese Römer nel 1676, il
movimento annuo apparente delle stelle sulla sfera celeste studiato nel 1728 dall’astronomo
Bradley insieme al problema del trascinamento dell’etere da parte dei corpi materiali studiato da
Arago, Fresnel e Fizeau negli anni dal 1810 al 1851 influenzarono Einstein, più dello studio diretto
dell’esperienza classica di Michelson e Morley del 1887.
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Proprio le trasformazioni di Lorentz della Relatività Ristretta riuscirono a spiegare tutti i fenomeni
luminosi senza prendere in considerazione l’etere.
Genesi del principio di relatività. (da pagina 134 a pagina 175)
L’epistemologia di Mach ha influenzato il giovane Einstein ma il principio di relatività ha origini più
lontane nel tempo. Già Galileo aveva notato che era praticamente impossibile rilevare il
movimento di oggetti in moto relativo uniforme. Ma il primo che rilevò una forma di invarianza
delle equazioni che regolavano il comportamento dei fenomeni ondulatori fu il fisico tedesco
Woldemar Voigt nel 1887. Tale studio rimase inascoltato fino ai lavori di Lorentz e Poincaré. Anche
Poincaré influenzò notevolmente Einstein, il quale rimase colpito dagli scritti epistemologici del
matematico e fisico francese. Ma quando Einstein arrivò a produrre il suo lavoro sulla relatività
non conosceva le trasformazioni che Lorentz aveva già individuato, partendo però da ipotesi che
confermavano ancora l’esistenza dell’etere e che prevedevano una contrazione reale delle
lunghezze dei corpi in movimento, tantomeno poteva conoscere due articoli che Poincaré stava
nello stesso periodo inviando alle stampe. Conciliando l’elettromagnetismo di Maxwell con il
concetto di invarianza, Einstein pervenne alla sua formulazione della Relatività Ristretta. Anche se
Einstein conosceva l’esperienza di Michelson e Morley, seppur indirettamente attraverso i primi
scritti di Lorentz, egli non la ritenne essenziale alla formulazione della sua teoria. Ma cosa si
proponevano di verificare i due fisici con l’esperienza del 1887? Attraverso un fenomeno di
interferenza di raggi luminosi su percorsi perpendicolari, si voleva rilevare il moto relativo della
terra attraverso l’etere. Purtroppo non venne trovato alcun segno evidente dello spostamento
delle frange d’interferenza ruotando l’interferometro opportunamente montato su una piastra
mobile su un bagno di mercurio.
L’etere non vuole morire. Fitzgerald - Lorentz - Poincaré. (da pagina 176 a pagina 191)
Ma per i fisici Lorentz e Fitzgerald l’etere continuava ad esistere e l’ipotesi della contrazione delle
lunghezze, che proponevano per spiegare l’inesistenza degli spostamenti della figura
d’interferenza nell’esperienza di Michelson e Morley, non era poi così azzardata, anzi era
suffragata da ipotesi legate al modello corpuscolare dei sistemi atomici. Per Poincaré, invece,
l’etere era una comodità per la spiegazione dei fenomeni fisici, fino a quando un giorno sarebbe
diventata inutile. È pur vero però che la teoria dell’etere e degli elettroni sviluppata da Lorentz e
Poincaré fra il 1892 e il 1906 ha permesso di sviluppare una teoria formalmente uguale alla
Relatività Ristretta, ma basata sull’esistenza dell’etere. Lo stesso Einstein nel 1919 disse che in
fondo si poteva ancora sostenere l’esistenza dell’etere, inteso come tutto lo spazio portatore di
proprietà fisiche.
Riprendiamo il concetto di simultaneità. La sincronizzazione degli orologi. Due importanti
conclusioni empiriche. (da pagina 192 a pagina 217)
Il concetto di sincronizzazione degli orologi ed il suo carattere puramente convenzionale così
come messo in evidenza da Poincaré prima e dal filosofo Reichenbach nel 1958 implicano una
importante prima conclusione empirica: la velocità della luce in un percorso di andata e ritorno è
empiricamente invariante rispetto al tempo e a qualsiasi sistema di riferimento inerziale. Tale
prima conclusione empirica insieme alla seconda conclusione empirica la quale afferma che
quando gli orologi si muovono rispetto ad un sistema privilegiato S 0 , che è un sistema inerziale
avente origine coincidente col centro della terra e assi che puntano verso direzioni fisse nel cielo,
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si ha un ritardo in accordo con l’equazione  0 

con R dato da
R
Relatività Debole del fisico italiano contemporaneo Franco Selleri.
1
v2
, aprono la strada alla
c2
La relatività debole di Franco Selleri. (da pagina 218 a pagina 241)
Con la Relatività Debole di Franco Selleri è possibile riformulare le trasformazioni che legano due
sistemi di riferimento inerziali a partire da ipotesi più generali, interpretare tutti i fenomeni della
Relatività Ristretta di Einstein e nello stesso tempo eliminare tutte le sue contraddizioni ed il
relativismo in esse nascosto. Le relazioni che legano il sistema privilegiato S 0 ed un altro sistema
riferimento inerziale S si chiamano trasformazioni equivalenti. In tali trasformazioni compare un
parametro di sincronizzazione e1 e le trasformazioni di Lorentz si ottengono per un particolare
valore di questo parametro. Quando il parametro di sincronizzazione e1 è uguale a zero si
ottengono le trasformazioni inerziali, le uniche che comportano le seguenti conseguenze: a) la
contrazione di Lorentz è un fenomeno assoluto. I due osservatori concordano che il movimento
relativo al sistema privilegiato fa accorciare i regoli. Il fenomeno perde il sapore relativistico ma
diventa assoluto. b) le trasformazioni inerziali comportano la simultaneità assoluta, senza tuttavia
comportare il tempo assoluto. c) i due osservatori concordano che il movimento relativo al
sistema privilegiato fa rallentare il passo degli orologi e il fenomeno perde l’aspetto relativistico
della Relatività Ristretta.
Il paradosso dei gemelli. Universo iperdeterministico della Relatività Ristretta. Ancora sulla
causalità. (da pagina 242 a pagina 270)
La Relatività Debole spiega il “paradosso dell’orologio”, introdotto da Einstein del 1905 e
antropomorfizzato dal fisico francese Paul Langevin e chiamato quindi paradosso dei gemelli. Tutti
gli osservatori concordano che, quando due gemelli si riuniscono dopo il viaggio interstellare di
uno dei due, quello rimasto sulla Terra è più vecchio rispetto al gemello che ha effettuato il
viaggio. Ma il ritardo degli orologi in moto non è fantasia, il comportamento asimmetrico degli
orologi è una certezza empirica che trova la sua naturale spiegazione con la Relatività Debole.
La Relatività Ristretta porta anche ad un altro fenomeno paradossale. Un osservatore che mi sta
passando accanto ad alta velocità mi lascia un messaggio in cui mi comunica che la realtà di mio
fratello, che vive la mia stessa realtà temporale in questo preciso istante, è praticamente
determinata. Questo aspetto della vita è piuttosto difficile da mandare giù. Ciò, però, è quanto
prevede la Relatività Ristretta quando si prendono in considerazione le trasformazioni di Lorentz
che legano tra di loro due sistemi di riferimento inerziali. Con la Relatività Debole questo non è
possibile, tutti gli osservatori concordano sul presente e il futuro non è più iperdeterminato.
La Relatività Ristretta, come abbiamo in precedenza affermato, non ammette la realtà di segnali
superluminali altrimenti si avrebbero una serie di paradossi temporali come quelli che riguardano
la modificazione del passato. Un osservatore riceverebbe la risposta ad una sua domanda inviata
con moto superluminale ad un interlocutore prima che quest’ultima venga trasmessa. Le
trasformazioni inerziali ammettono l’esistenza dei segnali superluminali senza che si venga a
rompere il rapporto causa effetto.
Esiste il sistema privilegiato S 0 ? (da pagina 271 a pagina 281)
Le trasformazioni inerziali ammettono l’esistenza del sistema privilegiato S 0 , ma è tuttora difficile
individuare tale sistema. Ma ammettendo per assurdo l’esistenza dei segnali superluminali e del
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sistema di riferimento S 0 , potrei montare un apparato sperimentale opportunamente
predisposto, con cui effettuare misure su segnali superluminali, su un’astronave e visitare tanti
sistemi inerziali. Quando il mio orologio misurerà un tempo particolare previsto dalla Relatività
2l
Debole e pari a T  , dove l è la distanza tra due sorgenti a riposo nel sistema inerziale S e v 0
v0
è la velocità del segnale superluminale, avrò individuato grazie alla presenza di segnali
superluminali l’esistenza del sistema privilegiato S 0 .
I rinvii delle pagine sono riferiti al lavoro Relatività e relativismo.pptx.
Prof. Donato Antonio Carpato
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