Maxwell ed Einstein: l’eccezionale doppia ricorrenza del 2015

Quest’anno è sicuramente memorabile per la fisica. Il 2015 segna infatti centocinquanta anni dalla pubblicazione del lavoro di James Clerk Maxwell, e cento dalla Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein, entrambe  pietre miliari della fisica moderna.

In un lungo trattato compilativo, che raccoglieva le equazioni fino ad allora conosciute su elettricità e magnetismo, Maxwell riassumeva praticamente lo scibile umano in una collezione di equazioni matematiche.

Il lavoro, sebbene consegnato nel 1864, era talmente vasto e complesso da essere stato tenuto in revisione presso la commissione di scienziati per un anno. Per questo motivo venne pubblicato solamente nel 1865, centocinquant’anni fa. Il lavoro di Maxwell pur essendo prettamente compilativo, cioè una collezione di leggi note ed unificate in un unico assetto teorico, si è rivelato essenziale per la comprensione dei fenomeni alla base della propagazione del campo magnetico, del campo elettrico e delle onde.

E’ grazie a Maxwell che abbiamo capito la relazione tra elettricità, magnetismo e cariche elettriche. Può sembrare poco, tuttavia l’immediato prodotto di questo lavoro è la comprensione della matematica che regola la propagazione delle onde. La formulazione che conosciamo oggi è, in realtà, frutto di un lungo lavoro di semplificazione e riduzione in sole quattro equazioni operato nel seguito dalle più brillanti menti matematiche della fisica moderna, ed è stato proprio grazie alle simmetrie che ne sono derivate, che il genere umano ha compreso una realtà fondamentale che avrà conseguenze notevoli e provocherà un vero e proprio terremoto: la velocità della luce è costante in tutti i sistemi di riferimento.

E’ la porticina che spalanca la vista sull’universo della Teoria della Relatività di Albert Einstein, dove spazio e tempo vengono unificati in un unico sistema di riferimento che li comprende entrambi: lo spazio-tempo. E qui arriviamo alla seconda ricorrenza, proprio il 25 novembre 1915 Albert Einstein presentava al mondo il compimento di un lungo lavoro di ricerca: la Teoria della Relatività Generale.

E’ il culmine di un processo iniziato con la pubblicazione, nel 1905, della Teoria della Relatività Speciale, che trattava essenzialmente delle implicazioni del lavoro di Maxwell nel sistemi di riferimento inerziale  unificato spazio-tempo. Dato che la velocità della luce è una costante in tutti i sistemi di riferimento, il tempo e lo spazio devono per forza variare in funzione della velocità del sistema di riferimento.

Per comprendere l’implicazione della costanza della velocità della luce, basta compiere un esperimento ideale:
immaginate di salire sul tetto di un treno in movimento, diciamo alla velocità di 100 Km/h, e di lanciare un sasso in direzione del moto, ad esempio alla velocità di 5 Km/h. Un osservatore a terra vedrà il sasso viaggiare a 105 Km/h, frutto della somma della velocità del treno e del sasso.

Se conducessimo lo stesso esperimento ideale su una astronave che viaggia ad una frazione della velocità della luce, diciamo la metà, ma stavolta lanciando un fascio di luce, le particelle del fascio, che viaggiano appunto alla velocità della luce, rispetto ad un osservatore esterno non si muovono ad una volta e mezzo la velocità della luce. Ciò accade perché la velocità della luce è invariante rispetto al sistema di riferimento. Ora, l’unico modo per preservare questa velocità è che spazio e tempo siano una funzione della velocità dell’osservatore.

Un terremoto per la fisica: ad esempio un astronauta che viaggiasse a velocità prossime a quella della luce, al ritorno sulla Terra, troverebbe tutti più vecchi. Il tempo a Terra scorre diversamente rispetto al suo sistema di riferimento. E’ il celebre Paradosso dei Gemelli (che paradosso in realtà non è, piuttosto una realtà fisica).

Con la Teoria della Relatività Generale Einstein fa un ulteriore passo avanti: spiega come la struttura del complesso spazio-tempo dipenda dalla massa. Un po’ come accade mettendo un sasso su un telone teso, la massa curva spazio e tempo, provocandone una alterazione geometrica. Un ulteriore terremoto: la gravità, ad esempio, è il prodotto di questa curvatura. Innumerevoli gli esperimenti che hanno
dimostrato corretto l’impianto di Einstein. Se così fosse, anche i raggi di luce dovrebbero curvare in prossimità di addensamenti massivi di materia. E così è: è il fenomeno del Lensing Gravitazionale.

Accertato che la luce curva in presenza di massa, siamo in grado di tracciare la struttura dell’Universo sulla base della “semplice” osservazione della geometria dei raggi di luce che transitano nel cosmo. Questo studio ci ha rivelato una serie di fatti sbalorditivi. Ad iniziare dalla teorizzazione dei Buchi Neri, oggetti super massicci concentrati in un volume ridotto, che tutto attirano a sé e che non lasciano neanche sfuggire la luce.

Ancora, dall’osservazione del comportamento della luce nell’universo, rilevata principalmente attraverso l’effetto Doppler, abbiamo verificato che l’universo si sta espandendo e che, quindi, deve esserci stato un inizio in cui era concentrato in un unico punto. Da qui, la Teoria del Big Bang, di cui possiamo ascoltare l’eco in termini della Radiazione Fossile.

E’ doloroso constatare che, poiché le implicazioni di queste teorie sono una vera mina per il creazionismo,  se ne parla pochissimo in Italia: davvero impossibile riassumere in un breve post l’importanza del lavoro di Maxwell ed Einstein, dunque, a loro non può che andare  tutta la nostra gratitudine.