Alla ricerca di errori nella teoria della relatività di Einstein

La teoria della relatività è sbagliata? Nuove ricerche in grado di smentire la teoria della relatività o del big bang? Ma cosa c’è di vero al di là del sensazionalismo?

Certamente vi sarete accorti che siamo bombardati da notizie scientifiche, la maggior parte delle quali è data in modo impreciso o poco chiaro. La ragione è da ricercarsi certamente nel fatto che spesso (non sempre e con le dovute eccezioni) chi le riporta non è preparato o non conosce bene ciò di cui vuole parlare.

Ma una notizia è una notizia, direte voi. Eppure no, la scienza è molto complessa e per comprendere veramente di cosa si sta parlando occorre conoscere approfonditamente la terminologia specifica, a cominciare dalle parole che ci sembrano più banali, come “teoria”.

“La teoria della relatività potrebbe essere sbagliata“, “nuovo studio contraddice Einstein“, “uno studio dell’università di Chissàdove dimostra che la relatività è sbagliata“. Quante volte abbiamo letto, ad esempio, titoli del genere? Nel testo poi troviamo la notizia, generalmente molto più sobria del titolo, dove Tal Dei Tali dell’università di Daqualcheparte ha elaborato una nuova teoria che spiega tutto senza ricorrere alla relatività. Ma cosa c’è di vero in queste notizie? Come vanno lette? La teoria della relatività è davvero sbagliata?

La meccanica classica di Newton

Per comprendere meglio il tema, ci servirà prima un piccolo excursus storico. Nel 1639, Galileo Galilei pubblicò il suo famosissimo “Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo“.

Testo importantissimo per moltissime ragioni, in esso troviamo molti concetti fondamentali di fisica e filosofia. In tale testo (scritto in volgare!), Galileo cercò di scardinare, con estremo successo, il sistema vigente dell’Ipse Dixit – cioè che una cosa è vera perché l’ha detta Aristotele e quindi ci dobbiamo fidare, per esempio – per sostituirlo con questo nuovo “metodo scientifico“.

In particolare, nel testo è presente il famoso principio di relatività (Galileiana), secondo cui “le leggi fisiche sono covarianti in tutti i sistemi di riferimento inerziali” e che “le leggi fisiche sono invarianti per trasformazioni galileiane“.

Cosa significa? Banalmente, che se una legge fisica è vera, è vera sempre, che io sia fermo o che sia su un treno che si muove, e che quindi esiste un modo per trasformare il mio sistema di coordinate perché la legge continui ad essere vera quando mi sposto da un sistema di riferimento a un altro. Questo “modo” è rappresentato dalle trasformazioni Galileiane.

Questo concetto, ma più in generale tutta la filosofia Galileiana sono la base su cui si muove pochi anni più tardi Newton (di cui potrete scoprire qualcosa in più nel nostro speciale su Isaac Newton).

Nel 1687 egli pubblicò “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“, anche noto come “Principia”. In quest’opera, Newton finalizzò la rivoluzione cominciata da Galileo, elaborando quella che oggi chiamiamo meccanica Newtoniana, che assieme alla meccanica razionale (formulata quasi 100 anni dopo da Lagrange e Hamilton) costituiscono la meccanica classica. Se, poi, a questa aggiungiamo l’elettromagnetismo, sviluppato principalmente da Maxwell, ecco che otteniamo grossomodo tutta la fisica classica.
Iniziarono così una serie di esperimenti ed osservazioni della vita comune, che non fecero altro che confermare, confermare e riconfermare nuovamente la meccanica classica. Si tratta di una teoria eccezionale che spiega praticamente qualsiasi fenomeno che riguardi la cinematica, la dinamica, la statica, ma anche la meccanica del suono, la meccanica dei fluidi e la meccanica celeste.

Grazie a questa teoria si predisse, ad esempio, l’esistenza di Nettuno e Pluotone (poi confermata in maniera sperimentale nel 1846 e 1930, rispettivamente). Insomma la meccanica classica sembra proprio giusta, ma non è tutto oro quel che luccica.

La teoria della relatività

La meccanica classica (ma più in generale la fisica classica tutta) vive un forte periodo di crisi agli inizi del 1900. I problemi da risolvere (che non si riusciva a spiegare, appunto, con la fisica classica) sono diversi, tra cui i principali sono il problema del corpo nero, l’effetto fotoelettrico e lo scattering Compton.

A noi, però, oggi interessa uno dei problemi “secondari”, ovvero quello della precessione del perielio nell’orbita di Mercurio, ovvero la rotazione del punto più vicino al Sole di Mercurio che quindi non è sempre il medesimo ma ruota con il passare del tempo.
Il fenomeno era previsto dalla meccanica classica Newtoniana ma con un errore di circa 43″ d’arco ogni secolo (il secondo d’arco è una misura angolare utilizzata in astronomia).

Si cominciò, quindi, a pensare alla causa di questo (piccolo) errore. Le Verrier propose che sarebbe potuto esistere un pianeta, Vulcano, con orbita interna a quella di Mercurio, che avrebbe generato questa variazione. Oppure Mercurio poteva possedere un satellite che non avevamo mai osservato.

Oppure, magari Venere era anche solo il 10% più grande di quello che credevamo. O, ancora, che il Sole potesse non essere così sferico come ci eravamo immaginati. Infine, si presero in considerazione un eventuale errore nella formula della gravitazione universale o, addirittura, nessuna delle precedenti e c’era qualche altra spiegazione.

Nel 1919, Albert Einstein pubblicò il suo articolo sulla relatività generale (aveva già pubblicato l’articolo sulla relatività speciale nel 1905) che, tra le altre cose, spiegava anche la precessione del perielio dell’orbita di Mercurio.

Fu un successo incredibile e, a onor del vero, la relatività generale è una teoria che ha successo ancora oggi, con continue conferme sperimentali (non ultima quella delle onde gravitazionali o la prima foto di un buco nero).

Insomma, la relatività generale funziona estremamente bene e spiega tutto, o quasi.

Infatti, a voler essere pignoli (e non vediamo perché non dovremmo esserlo), dei problemi ci sono. Tra i tanti dubbi, non si riesce a conciliare bene con la meccanica quantistica in condizioni particolari (ad esempio, nello spiegare cosa accade al centro di un buco nero o all’inizio del big bang, quando tutta la materia era concentrata in un punto).

Insomma, la teoria della relatività spiega quasi tutto tranne alcuni problemi di frontiera e, a pensarci bene, questo è esattamente ciò che è avvenuto con la meccanica classica di Newton.

Ma quindi queste teorie sono sbagliate?

Cominciamo con il definire cosa sia una teoria. Nella scienza, una teoria è un insieme di ipotesi, enunciati e proposizioni che hanno lo scopo di spiegare fenomeni naturali.
In fisica, il termine teoria indica tipicamente un sistema di equazioni matematiche derivate da un insieme di principi basilari, capace di predire il risultato degli esperimenti in una certa categoria di sistemi fisici. Si può notare che, finché il sistema fisico riguardava la vita di tutti i giorni, la meccanica Newtoniana era una teoria fantastica. Finché non si mettevano in mezzo velocità prossime a quelle della luce, masse molto grandi o oggetti molto piccoli (di cui si occupa la meccanica quantistica), la meccanica classica prediceva correttamente i risultati degli esperimenti.

Quando Einstein ha elaborato la sua teoria della relatività generale, si occupò anche di verificare che questa comprendesse i risultati corretti trovati dalla meccanica classica. Gli esperimenti fatti fino ad allora non venivano scartati, ma dovevano essere integrati.

Tutto ciò che di vero era stato trovato doveva continuare ad essere vero, ed è vero ancora oggi. In questo senso, nel suo sistema fisico, la meccanica classica è una teoria giusta, che predice correttamente i risultati degli esperimenti. Al contempo, però, se si estende il sistema fisico, la meccanica classica risulta incompleta, insufficiente, errata.

Per comprendere meglio cosa sia una teoria, conviene farcelo spiegare direttamente da Stephen Hawking, che ne parla nel suo libro “Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo“.

Nel testo, è possibile leggere che, citando Hawking, “una teoria è una buona teoria se soddisfa due condizioni: deve descrivere accuratamente un’estesa serie di osservazioni sulla base di un modello che contiene solo pochi elementi arbitrari, e deve fare predizioni precise riguardo ai risultati di osservazioni future“. Più avanti, poi, viene spiegato che “tutte le teorie fisiche sono provvisorie, nel senso che sono solo ipotesi: non possono essere mai completamente provate. Non importa quante volte i risultati di un esperimento sono in accordo con una teoria, non si può mai essere completamente sicuri che la prossima volta i risultati non saranno in contraddizione con la teoria. D’altra parte, si può smentire una teoria con una sola osservazione che sia in contrasto con le predizioni della teoria“.

Una “guerra” di idee

Se proviamo ad immaginarci la frontiera della scienza di oggi, questo è un ambiente selvaggio in cui si ipotizza tutto e il contrario di tutto, le idee sono molte, in contraddizione tra loro e il dibattito è molto acceso. Le idee vengono contestate e riformulate quotidianamente; tuttavia, la migliore non è quella più discussa o quella che va maggiormente di moda, ma piuttosto quella che ottiene prove sperimentali.

Del resto, sono solo queste a determinare, oggi e per sempre, se una teoria è, oppure no, una buona teoria. Quello che accade, quindi, non è semplicemente “la mia idea è migliore della tua, perché si!“, ma piuttosto “penso che la mia idea sia migliore della tua, e questo è un modo per verificarlo“, o ancora “non ti piace la mia idea? Molto bene, costruisci un esperimento per dimostrare che ho torto“.

Se, ad esempio, prendiamo in considerazione la teoria del Big Bang, questa ha un’innumerevole quantità di prove sperimentali che dimostrano che il nostro universo è partito da una condizione di alta densità e alta temperatura. Può essere smentito? Non del tutto: si può fare una teoria più profonda, che però deve considerare i risultati fin qui ottenuti e le osservazioni sperimentali.

Si vuole fare una teoria del multi-verso? Okay, ma il nostro universo è comunque partito da un Big Bang.
Allo stesso modo, la teoria della relatività verrà forse superata prima o poi. Questo significa che è sbagliata? No, ma anche sì. Tutto ciò che oggi è spiegato dalla relatività è assolutamente corretto e dovrà essere presente anche nella futura nuova teoria, che semplicemente spiegherà semmai delle cose aggiuntive, sarà più profonda.

Si deve stare molto attenti, quindi, a notizie che provengono dalla frontiera della scienza: sono notizie che vanno soppesate avendo presente cosa è successo in passato, cosa è necessario perché una teoria venga effettivamente smentita ed una nuova confermata. Se, quindi, il presupposto è “Einstein ha sbagliato tutto, ecco una nuova idea che spiega le cose in modo diverso“, quasi certamente è spazzatura.

Al contrario, si sente parlare spesso di teoria delle stringhe, di teoria dei loop e di molte altre teorie che tentano di superare la relatività e la meccanica quantistica per ottenere una sintesi tra le due. Quindi teorie nuove, che però includano quello che già sappiamo essere corretto. Queste teorie, tuttavia, ad oggi non hanno ancora ottenuto alcuna prova sperimentale che, in ultima analisi, è l’unica cosa che conta e che ne determinerà il successo o la disfatta.