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11 · Novecento scienza e tecnica

Relatività ristretta

1905 Berna, Svizzera

In breve

Nel 1905 Albert Einstein aveva 26 anni e lavorava all'ufficio brevetti di Berna, in Svizzera. In quell'anno pubblicò alcuni articoli che rivoluzionarono la fisica, tra cui quello sulla relatività ristretta. Spiegò che la velocità della luce è la stessa per tutti, mentre tempo e spazio cambiano per chi si muove a velocità diverse. Da queste idee nacque la formula E=mc², che collega massa ed energia.

Perché è importante Cambiò il modo di pensare lo spazio e il tempo, e oggi aiuta perfino a far funzionare con precisione i satelliti del GPS.

Fonte: Encyclopaedia Britannica, «relativity»

Illustrazione: Relatività ristretta (Berna, Svizzera)
Illustrazione creata con l'IA per Storiascopio
Relatività ristretta: Berna, Svizzera
Dove: Berna, Svizzera

Scheda per studiare circa 5 minuti di lettura

Il racconto

L'impiegato dell'ufficio brevetti

Nel 1905 un giovane di 26 anni lavorava a Berna, in Svizzera, come impiegato all'ufficio dei brevetti, dove si controllavano le invenzioni delle persone. Si chiamava Albert Einstein, era nato a Ulm, in Germania, nel 1879, e non aveva trovato un posto all'università. Il lavoro, però, gli lasciava tempo: lui scriveva i suoi pensieri e ci pensava sui treni, a casa, a passeggio con l'amico Michele Besso, discutendo di fisica. Quell'anno, che gli storici chiamano «l'anno miracoloso», pubblicò quattro articoli che cambiarono la scienza.

Il primo spiegava che la luce è fatta di piccoli pacchetti di energia, i «quanti», e per questa idea ricevette il premio Nobel per la fisica 1921 (assegnato nel 1922). Il secondo spiegava il moto a zig zag dei granelli di polline nell'acqua, con la presenza di atomi e molecole, e aiutò a convincere chi ancora dubitava che gli atomi esistessero. Gli altri due articoli riguardavano la «relatività ristretta».

Una luce, due osservatori

Il problema nasceva da un fatto strano. Se salto su un treno che viaggia a cento chilometri all'ora e lancio una palla in avanti a venti chilometri all'ora, per chi sta fermo sulla banchina la palla va a centoventi. Per la luce, invece, non funziona così. Gli esperimenti di fine Ottocento mostravano che la luce ha sempre la stessa velocità, circa trecentomila chilometri al secondo, per chiunque la misuri, anche se corre nella stessa direzione.

Einstein partì da due idee semplici: le leggi della fisica sono uguali per tutti gli osservatori che si muovono a velocità costante, e la velocità della luce è la stessa per tutti. Per far quadrare i conti, bisognava accettare qualcosa di sorprendente: lo spazio e il tempo non sono uguali per tutti. Chi si muove a velocità altissime vede scorrere il tempo più lentamente, e le distanze si accorciano nella direzione del moto. È come se ognuno avesse il proprio orologio e il proprio metro.

Queste idee sembrano assurde perché nella vita di tutti i giorni viaggiamo a velocità piccolissime rispetto alla luce, e gli effetti si notano appena. Ma esistono, e sono stati misurati: per esempio, in orologi atomici portati in aereo, e nelle particelle create nell'alta atmosfera, che vivono abbastanza da arrivare fino al suolo proprio perché si muovono quasi alla velocità della luce.

E = mc²

Alla fine del 1905 Einstein scrisse un articolo brevissimo, di tre pagine, con un'altra conseguenza: la massa e l'energia sono due facce della stessa cosa. La formula è diventata la più famosa del mondo: E = mc², dove E è l'energia, m è la massa e c è la velocità della luce. Poiché c è un numero enorme, e viene moltiplicato per sé stesso, anche una piccolissima quantità di massa contiene una quantità enorme di energia: un grammo equivale a circa ventuno mila tonnellate di tritolo. È la spiegazione di come il Sole brilla, trasformando ogni secondo milioni di tonnellate della sua massa in luce e calore, e di come funziona una centrale nucleare.

La gravità e la fama

Per dieci anni Einstein continuò a pensare, e nel 1915 completò la «relatività generale»: la gravità non è una forza misteriosa, ma una curvatura dello spazio e del tempo, causata dalla materia, come una palla pesante su un lenzuolo teso. Nel 1919, durante un'eclisse di Sole, l'astronomo inglese Arthur Eddington misurò che la luce di alcune stelle si piegava passando vicino al Sole, proprio come previsto. Le notizie arrivarono sui giornali di tutto il mondo, e Einstein diventò famoso. Nel 1933, davanti all'ascesa del nazismo, lasciò la Germania per gli Stati Uniti, dove restò fino alla morte, nel 1955.

Perché successe

La relatività nacque dal contrasto tra due grandi teorie dell'Ottocento: la meccanica di Newton, che descrive come si muovono i corpi, e le leggi dell'elettromagnetismo di Maxwell, che descrivono la luce. I due sistemi non andavano d'accordo, e molti fisici cercavano un modo di aggiustare le cose. Einstein ebbe il coraggio di cambiare l'idea stessa di spazio e di tempo.

A prepararlo fu anche il suo modo di pensare, fatto di esperimenti con la mente: si chiedeva, per esempio, che cosa avrebbe visto se avesse potuto correre accanto a un raggio di luce. Contò la sua indipendenza: lavorando fuori dall'università, non aveva paura di mettere in discussione le idee di tutti.

Cosa cambiò

La relatività cambiò per sempre la fisica. Spiegò fenomeni che prima non si capivano e permise di costruire la fisica moderna: l'energia nucleare, gli acceleratori di particelle, la cosmologia, cioè lo studio dell'universo, i buchi neri e le onde gravitazionali. Le equazioni della relatività generale (1915) permisero poi di capire che l'universo non è fermo ma può espandersi.

Serve anche nella vita di tutti i giorni: i satelliti del GPS corrono a grande velocità e sono più lontani dalla Terra, quindi i loro orologi vanno un po' più in fretta rispetto a quelli a terra (circa 38 microsecondi al giorno). Senza le correzioni della relatività, il navigatore del telefono sbaglierebbe di parecchi chilometri al giorno.

La teoria mostrò anche una cosa importante: le conquiste della scienza possono avere conseguenze enormi e anche pericolose, come mostrò la bomba atomica. Einstein, un pacifista, nel 1939 firmò una lettera al presidente americano Roosevelt per avvertirlo del pericolo che la Germania potesse costruirla, e poi dedicò gli ultimi anni a chiedere la pace e il disarmo.

Persone e luoghi chiave

Persone

Albert Einstein
Fisico tedesco (1879-1955): creò la teoria della relatività ristretta (1905) e generale (1915); Nobel per la fisica 1921 (assegnato nel 1922).
Michele Besso
Ingegnere italo-svizzero (1873-1955): amico di Einstein, con cui discuteva le sue idee.
Hermann Minkowski
Matematico tedesco (1864-1909): nel 1908 unì spazio e tempo in un unico «spazio-tempo».
Arthur Eddington
Astronomo inglese (1882-1944): nel 1919 misurò la curvatura della luce durante un'eclisse.
Mileva Marić
Studiosa di fisica serba (1875-1948): prima moglie di Einstein, frequentò con lui lo stesso corso al Politecnico di Zurigo.

Luoghi

Berna, Svizzera
La città dove Einstein lavorava all'ufficio brevetti nel 1905; la sua casa è oggi un museo.
Ulm, Germania
La città dove Einstein nacque il 14 marzo 1879.

Da sapere

  • Einstein nel 1905 aveva 26 anni e lavorava in un ufficio brevetti.
  • Un grammo di materia contiene un'energia pari a circa ventuno mila tonnellate di tritolo.
  • Senza le correzioni della relatività, il GPS sbaglierebbe di parecchi chilometri al giorno.
  • Einstein ricevette il Nobel per la fisica 1921 (assegnato nel 1922) per il suo lavoro sulla luce, non per la relatività.
  • La sua formula più famosa, E = mc², fu scritta in un articolo di appena tre pagine.

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