07/06/2012 – C’era una cosa che Niccolò Copernico (1473-1543) non riusciva a capire. Per lui era ovvio che fosse la Terra a girare intorno al Sole: secondo i suoi calcoli la velocità era di ben 30 chilometri al secondo ma, si chiedeva, perchè noi non ce ne accorgiamo? A questo punto fu Galileo Galilei (1564-1642) a risolvere l’enigma: è impossibile distinguere un sistema in orbita da uno in quiete, perchè il concetto di “stare fermi” è relativo. Tutto qui, e le conseguenze più radicali di questo principio furono sviluppate da Albert Einstein (1879-1955) in due scritti storici: la relatività ristretta (che però contiene ancora una forte semplificazione; non tiene conto della relatività) e la relatività generale.

Barca Nell’Oceano: L’intuizione di Galileo

Le intuizioni di Galileo, e quelle dello scienziato britannico Isaac Newton (1642-1727), considerato con Galileo padre della scienza moderna, non si possono però riassumere nella sbrigativa affermazione che “tutto è relativo“. Al contrario, sono servite a stabilire che cosa dipende dal punto di vista e che cosa no. Il principio della relatività classico fu enunciato da Galileo: “È possibile distinguere, sulla base di misure meccaniche, un sistema in moto rettilineo uniforme da uno in quiete“. Oggi ti può sembrare ovvio, ma a quei tempi non si sapeva nemmeno che cosa fosse il moto rettilineo uniforme, e per spiegare il concetto ai contemporanei, Galileo descrisse in dettaglio nell’opera “Discorsi e dimostrazioni intorno a due nuove scienze“, del 1638 un “esperimento pensato“. In sintesi, questo era l’esperimento:

– Chiuditi con alcuni amici nella cabina principale di una grande nave, sotto coperta, e prendete alcune mosche, farfalle, o altri piccoli animali volanti. Riempite d’acqua una vasca e mettetevi alcuni pesci; appendete una bottiglia che si svuoti goccia dopo goccia in un vaso sottostante. Quando la nave è ferma osservate attentamente come gli insetti volino con uguale velocità in tutti i lati della cabina. I pesci nuotino indifferentemente in tutte le direzioni; le gocce d’acqua cadano nel vaso sottostante. Quando avrete osservato tutte queste cose attentamente, fate avanzare la nave alla velocità che volete, purchè il moto sia uniforme e non vi siano oscillazioni qua e là. Scoprirete che nessuno degli eventi sopra citati è cambiato minimamente, nè potrete dire da alcuni di questi se la nave si muove o è ferma. Le gocce cadranno come prima nel vaso, senza deviare a poppa, nonostante il fatto che mentre le gocce sono in aria la nave si muove di lunghezza corrispondente a molti punti. I pesci nella loro acqua nuoteranno verso prua senza meno fatica che verso poppa e raggiungeranno con uguale facilità tutti i punti della vasca. Infine, le farfalle e le mosche continueranno a volare indifferentemente verso ogni lato.

Esperimenti Meccanici

Senza ricorrere a formule o strumenti elettronici, Galileo si accorse quindi che non ha senso parlare di “quiete” o di “moto“, ma solo di moto relativo (sempre sulla base di esperimenti meccanici, gli unici allora noti). Una conseguenza meno ovvia è che questo concetto cambiò il modo di considerare lo spazio-tempo. In precedenza, infatti, si pensava allo spazio come al “posto” in cui si susseguivano gli eventi e dunque la frase “nello stesso posto in tempi diversi” aveva un valore assoluto. Ma per un osservatore sulla barca di Galileo, per esempio, un pesce o una farfalla possono tornare “nello stesso posto” dopo qualche minuto, mentre per un osservatore sulla banchina del porto, la barca si sarà comunque mossa: nessuno degli animali può quindi tornare “nello stesso posto“. Galileo introdusse molti altri concetti che servirono come punto di partenza a Isaac Newton per sviluppare la teoria completa della meccanica classica. Le nozioni più importanti sono quelle di spazio, tempo, velocità, accelerazione, forza e massa. Una delle osservazioni più importanti di Galileo fu che le oscillazioni di un pendolo possono essere prese come punto di riferimento per misurare il tempo, e quindi il movimento.

L’Accelerazione Cosa La Produce?

Galileo Galilei fu il primo nella storia ad accorgersi di questo, e anche il primo in assoluto ad avere una chiara concezione di che cosa sia il “movimento“. Lo scienziato italiano notò anche che se su un corpo non agisce alcuna forza, questo continua a muoversi di moto rettilineo uniforme. Anzi, la “forza” è definita proprio come “ciò che produce un’accelerazione“, come spinta di un braccio (che fa aumentare la velocità) o l’attrito di una superficie (che la fa diminuire). Ma per accelerare una palla di piombo occorre fare più fatica che per accelerare una palla di legno delle stesse dimensioni. In altre parole, a parità di forza esercitata, l’accelerazione di un corpo è versamente proporzionale alla sua “quantità di materia“, ossia alla sua massa inerziale. Non solo, ma lasciando cadere oggetti dalla torre di Pisa, il grande scienziato capì che l’accelerazione di gravità è esattamente la stessa per tutti gli oggetti, ossia che “peso” (massa gravitazionale) e “massa” (inerziale) sono la stessa cosa (fino alla sua intuizione si era creduto che la velocità di caduta degli oggetti dipendesse dal loro peso). È per questo che una palla di legno e una di piombo cadono dalla torre di Pisa esattamente nello stesso modo. Un’osservazione profetica, questa, che Albert Einstein sarebbe servita come base per la teoria della relatività generale.