La teoria della relatività ristretta, presentata nel 1905 da Albert Einstein, rappresenta uno dei principali snodi dello sviluppo scientifico del XX secolo. Malgrado sia passato oltre un secolo dalla sua pubblicazione, questa teoria continua a suscitare un costante interesse, forse per l’alone di mistero che la circonda o per la sua fama di argomento per “soli geni” nonché per la figura di Albert Einstein, ormai ricordato più come un’icona pop che come scienziato.

Albert Einstein rappresenta ormai un’icona pop e nell’immaginario comune è il modello dello scienziato geniale e anticonformista al limite della stravaganza.

La teoria della relatività rappresenta il “tassello mancante” di un puzzle logico che a lungo si è cercato di comporre. Per individuare la posizione di ciascun singolo tassello è necessario conoscere la forma e la disposizione di tutte le tessere che lo circondano, per questo motivo non è possibile esporre i postulati e le conseguenze della relatività ristretta senza descriverne il contesto e le motivazioni che hanno reso necessario la revisione della fisica classica.
La relatività in termini generali si può definire come la modalità con cui gli osservatori si relazionano al fenomeno osservato. Osservatori e fenomeni fisici sono i protagonisti e la relatività rappresenta il modo con cui essi sono legati. Questo rapporto dipende a sua volta dal moto degli attori in gioco e quindi dalla velocità che assumono mentre si scambiano informazioni riguardo le loro posizioni e i tempi che misurano. L’esperienza comune ci suggerisce che tutti i fenomeni fisici agiscono con velocità finita, non conosciamo nessun modo per recapitare un messaggio o spostare un oggetto da una posizione ad un’altra senza impiegare almeno una frazione di secondo. La luce sembra fare eccezione: premendo un interruttore siamo in grado di illuminare una stanza in maniera apparentemente istantanea o comunque ad una velocità talmente grande da non essere rilevabile dai nostri sensi.
Galileo Galilei nel 1638, pubblica Discorsi e Dimostrazioni Matematiche Intorno a due Nuove Scienze in cui descrive un esperimento da lui ideato al fine di verificare se la velocità della luce sia o meno infinita: due lanterne disposte su colline poco distanti venivano inizialmente oscurate. La prima lanterna una volta scoperta diventava visibile dalla seconda collina. Qui un assistente, al segnale luminoso, scopriva la propria lanterna. La misura del tempo intercorrente tra il primo segnale e la risposta avrebbe permesso di calcolare la velocità della luce.

All’istante zero la prima lanterna viene scoperta.

La luce percorre il tratto che separa le due colline impiegando un tempo finito.

Le due colline erano distanti, come riporta il testo di Galileo “manco d’un miglio”, per cui il percorso della luce nei due versi corrisponde a circa 3 km. Da quest’esperimento Galileo giunse alla conclusione che la luce ha una velocità talmente alta non poter essere rilevata su distanze così brevi e con i mezzi da lui utilizzati.

 

Quando la luce raggiunge la seconda collina viene scoperta “immediatamente” la seconda lanterna che impiega un tempo non nullo per raggiungere la prima collina.

Su distanze astronomiche il tempo che la luce impiega diventa misurabile. A partire dal 1666 e per diversi anni l’astronomo Ole Rømer compì una serie di accurate misurazioni dei moti delle lune di Giove, e in particolare sul moto di Io, la luna più interna tra le quattro allora conosciute.

 

Mentre la Terra si allontana da Giove la luce, tra un’eclissi e l’altra, deve percorrere uno spazio maggiore e quindi impiega più tempo per raggiungere la Terra.

Le lune di Giove compiono delle orbite estremamente regolari; in particolare quando la Terra e Giove sono in opposizione1Per i pianeti esterni si ha un’opposizione quando Sole, Terra e pianeta sono allineati su di una retta immaginaria e la Terra si trova tra il Sole ed il pianeta. Io si eclissa ad intervalli di 42 ore e 27 minuti2Tale regolarità avrebbe potuto permettere di usare i satelliti di Giove come cronometri così da risolvere uno dei grandi problemi dell’epoca delle prime grandi traversate oceaniche: la determinazione della longitudine. (D. Sobel – Longitudine – 1996), invece mentre la Terra e Giove si allontanano il tempo intercorrente tra un’eclissi e l’altra aumenta fino a comportare un ritardo significativo rispetto alla precisa scansione temporale con cui le eclissi si succedono, sfasamento che all’epoca Rømer stimò di circa 22 minuti. Quando Terra e Giove tornano ad avvicinarsi l’intervallo tra due eclissi consecutive diminuisce fino a recuperare il ritardo. Rømer attribuì tale fenomeno alla maggiore distanza che la luce proveniente da Io deve percorrere per raggiungere la Terra mentre i due pianeti si allontanano, fornendo quindi la prima prova della finitezza della velocità della luce, fornendone tra l’altro una prima stima.
Tutte le osservazioni successive hanno confermato che la luce si muove ad una velocità finita che si stima sia circa 300.000 km/s; qualcosa di enorme se rapportata alle velocità di cui abbiamo esperienza ed estremamente lontana dalle velocità raggiungibili con le nostre attuali tecnologie.

Anche se non siamo in grado di creare un dispositivo in grado di viaggiare a velocità confrontabili con quella della luce, per le leggi della meccanica classica la sua realizzazione non è impossibile, purché si disponga di sufficiente energia non vi è nessun limite alla velocità che un oggetto può raggiungere e la velocità della luce può essere uguagliata e superata.
Malgrado ciò non si conosce alcun fenomeno in grado di propagarsi ad una velocità maggiore a quella della luce. Ciò può far pensare che in realtà sussista un limite alla velocità che un corpo può raggiungere, cioè che a velocità moto elevate la meccanica classica non sia più adatta a descrivere il moto di un corpo. È giusto quindi chiedersi se e per quale motivo la velocità della luce debba rappresentare un limite, quali siano le conseguenze di una tale ipotesi e in che modo tali conseguenze contrastino con la meccanica classica. Per tale motivo saranno presentate, in sintesi, le basi della meccanica classica prima di discutere della natura della luce e mettere in evidenza le contraddizioni che scaturiscono nel conciliare la meccanica con i fenomeni luminosi.

La teoria della relatività ristretta, formulata nel 1905 da Albert Einstein nasce al fine di sanare queste discrepanze; accolta inizialmente con molta diffidenza, venne in breve tempo universalmente accettata, ed è ormai un caposaldo della scienza moderna.
Una teoria più ampia, nota come relatività generale, venne sviluppata dallo stesso Einstein negli anni successivi. Pubblicata nel 1916 tratta il fenomeno della gravità ma al contempo ridefinisce interamente la geometria dello spazio.