Come Einstein capì che il tempo non era uguale per tutti

Prima di arrivare ai buchi neri, El-IA vuole capire una domanda fondamentale: perché il tempo non scorre allo stesso modo per tutti? AIDA lo guida passo dopo passo, mentre sullo sfondo Einstein osserva la scena con il suo orologio da tasca, quasi impaziente di vedere se i due arriveranno finalmente alla risposta.

Perché ho sempre pensato che il tempo fosse uguale per tutti?

Ci sono immagini che restano nella testa per anni, anche quando non abbiamo mai capito davvero che cosa rappresentano. Per me è successo con la relatività di Einstein.

Non so più dove abbia visto quella scena per la prima volta. Forse in un documentario, forse in televisione, forse in uno dei tanti video che negli anni mi sono passati davanti su YouTube. Ricordo un treno, degli orologi, qualcuno che diceva che il tempo poteva rallentare — ma non ho mai capito bene perché.

Poi, con il passare degli anni, a quell'immagine se ne è aggiunta un'altra: due gemelli. Uno resta sulla Terra, l'altro parte per un viaggio nello spazio e, quando torna, è più giovane del fratello.

Per molto tempo ho pensato che fossero semplicemente due modi diversi di raccontare la stessa storia. In realtà non avevo mai cercato di capire davvero che cosa ci fosse dietro.

Se qualcuno mi avesse chiesto che cosa sapevo della relatività, probabilmente avrei risposto con una frase molto semplice: "Ha a che fare con la velocità." E mi sarei fermata lì.

Negli ultimi mesi, però, ho ricominciato a studiare astronomia. Più leggevo, più mi rendevo conto che la relatività compariva ovunque: nei buchi neri, nei satelliti GPS, nell'espansione dell'universo, perfino nelle conferenze degli astrofisici che seguo.

A quel punto mi sono fatta una domanda diversa. Non volevo ancora capire le formule. Volevo capire una cosa molto più semplice: come ha fatto Einstein ad accorgersi che il tempo non era uguale per tutti? Che cosa aveva visto che agli altri era sfuggito?

Quello che davo per scontato sul tempo

Ripensandoci oggi, mi accorgo di aver sempre dato una cosa per scontata: il tempo. Un secondo era un secondo, per me, per te, per chiunque altro. Non mi era mai venuto in mente che potesse essere diverso.

È curioso, perché anni fa ho studiato elettrotecnica. Come tanti studenti, anch'io ho affrontato le equazioni di Maxwell, circuiti, elettromagnetismo e tutto quello che serviva per superare gli esami. All'epoca il mio obiettivo era capire abbastanza per andare avanti. Non avevo la minima idea che quelle stesse equazioni avrebbero contribuito a cambiare completamente il modo in cui oggi descriviamo lo spazio e il tempo.

Solo adesso, tornando a studiare senza l'ansia degli esami, mi sono resa conto di una cosa: molto spesso impariamo le risposte prima ancora di conoscere le domande che le hanno fatte nascere. Ed è forse proprio questo l'aspetto della scienza che oggi mi affascina di più. Non tanto la formula finale, quanto il percorso che ha portato qualcuno a dire: "E se tutti stessero dando per scontata la cosa sbagliata?"

Come è arrivato Einstein a questa idea?

Secondo il modello scientifico oggi accettato, il tempo non scorre allo stesso modo per tutti: osservatori che si muovono in modo diverso possono misurare intervalli di tempo differenti per lo stesso fenomeno. Non si tratta di un errore degli strumenti né di un'illusione ottica, ma di una conseguenza descritta dalla relatività e confermata da numerosi esperimenti. L'idea nasce nel 1905 con la relatività ristretta di Einstein; dieci anni dopo, con la relatività generale, si aggiunge un altro tassello: anche la gravità influenza lo scorrere del tempo.

Pensavo fosse una teoria lontana dalla vita quotidiana. Non è così: ogni giorno i satelliti GPS correggono gli effetti della relatività, e se non lo facessero gli errori di posizione renderebbero il sistema inutilizzabile in poco tempo. Non stavo leggendo una teoria affascinante ma astratta. Stavo leggendo una descrizione del mondo in cui viviamo.

Restava però la domanda vera: come ha fatto Einstein ad arrivarci?

Mi ero sempre immaginata un genio che si siede al tavolo e scrive una teoria rivoluzionaria di getto. Studiando meglio la sua storia ho scoperto che le cose sono andate diversamente: tutto è iniziato con una domanda tenuta in testa per anni.

Secondo un ricordo raccontato dallo stesso Einstein molti anni dopo, verso i sedici anni gli venne in mente un esperimento mentale. Vale la pena una precisazione, perché mi piace distinguere ciò che sappiamo con certezza da ciò che deriva dai ricordi: non esiste un diario dell'epoca in cui racconta l'episodio, è lui stesso, ormai adulto, ad averlo ricordato. Gli storici della scienza lo considerano credibile, ma resta un ricordo, non un documento contemporaneo. Anche se non possiamo sapere con certezza come nacque quell'idea, questo episodio è diventato uno dei racconti più celebri della storia della fisica perché descrive bene il modo in cui Einstein affrontava i problemi scientifici.

La domanda era semplice: che cosa vedrei se riuscissi a correre accanto a un raggio di luce, alla sua stessa velocità? Sembra un gioco, ma nasconde un problema enorme: se affiancassi davvero un'onda luminosa, dovrei vederla immobile. Le equazioni di Maxwell, però, non lo permettevano — per quelle equazioni la luce si propaga sempre alla stessa velocità, e non si può rincorrerla fino a fermarla.

Einstein continuò a tornarci per anni, e non era il solo: alla fine dell'Ottocento molti fisici si erano accorti che le leggi del moto di Newton e le equazioni di Maxwell, prese insieme, raccontavano due storie diverse. Avevo sempre pensato che la scienza procedesse aggiungendo un mattoncino sopra l'altro. Invece, a volte, succede il contrario: due teorie funzionano benissimo ma non riescono più a convivere, ed è proprio da queste contraddizioni che spesso nasce una rivoluzione.

L'impiegato che nessuno considerava un genio

Quando immagino Einstein nel 1905 mi viene spontaneo pensare a uno dei più grandi scienziati della storia. In realtà, all'epoca, nessuno lo considerava tale. Aveva ventisei anni e lavorava all'Ufficio Brevetti di Berna, passando le giornate a esaminare richieste di brevetto per nuove invenzioni. Non insegnava all'università, non dirigeva un laboratorio, non aveva un gruppo di ricerca: la fisica la studiava nel tempo libero.

Questa è una delle cose che trovo più incoraggianti. Le idee non nascono sempre nei luoghi che immaginiamo. A volte nascono nella testa di qualcuno che continua a farsi una domanda per anni.

L'idea che cambiò tutto

A un certo punto Einstein decise di prendere sul serio un'ipotesi che sembrava quasi assurda: e se la velocità della luce fosse davvero identica per tutti gli osservatori? Non "quasi uguale" o "in media", ma sempre la stessa, indipendentemente dal fatto che chi la misura sia fermo oppure in movimento. Oggi questa affermazione compare in tutti i libri di fisica; all'epoca era una vera provocazione.

Perché se la velocità della luce non cambia mai, allora deve cambiare qualcos'altro. Ed è qui che Einstein compie il salto: quello che siamo abituati a considerare assoluto — il tempo, le distanze e perfino il concetto di simultaneità — non può più esserlo. Non è la luce ad adattarsi al nostro modo di muoverci: siamo noi, con le nostre misure di spazio e di tempo, a dover cambiare prospettiva.

La prima volta che ho capito questo ragionamento mi sono fermata qualche minuto. Mi sono resa conto che Einstein non aveva scoperto una nuova proprietà del tempo osservando un fenomeno misterioso. Aveva semplicemente deciso di non rinunciare a una domanda, e aveva avuto il coraggio di seguire fino in fondo le conseguenze della risposta.

La prova che il tempo rallenta davvero: l'esperimento di Hafele e Keating

Arrivata a questo punto, mi sono fatta un'obiezione che probabilmente si farebbero in molti: va bene gli esperimenti mentali, va bene i ragionamenti, ma qualcuno ha mai verificato davvero che il tempo scorra in modo diverso?

La risposta è sì. Nel 1971 due fisici americani, Joseph Hafele e Richard Keating, decisero di mettere alla prova la teoria di Einstein in un modo molto concreto. Presero quattro orologi atomici, li sistemarono a bordo di normali aerei di linea e fecero il giro del mondo, una volta verso est e una volta verso ovest, mentre altri orologi identici rimanevano a terra come riferimento.

Al termine del viaggio confrontarono tutti gli orologi. Non segnavano più lo stesso tempo. Le differenze erano minuscole, dell'ordine dei miliardesimi di secondo, ma coincidevano con quelle previste dalla relatività, tenendo conto sia della velocità degli aerei sia della diversa gravità dovuta all'altitudine.

Quando ho letto questo esperimento mi è tornata in mente la vecchia immagine del treno con gli orologi. Per anni avevo pensato che fosse soltanto un modo fantasioso per spiegare una teoria difficile. Invece no. Non era il treno. Erano gli orologi. E il loro comportamento è stato misurato davvero.

Che cosa non sappiamo ancora sul tempo?

La storia, però, non finisce qui. La relatività ristretta descrive ciò che accade quando gli osservatori si muovono gli uni rispetto agli altri, ma non considera la gravità. Per questo Einstein, dieci anni dopo, sviluppò la relatività generale, che sembrava il tassello definitivo — e invece non lo era.

Oggi la relatività generale è una delle teorie meglio verificate di tutta la fisica. Allo stesso tempo, però, esiste un'altra teoria straordinariamente efficace: la meccanica quantistica. Il problema è che queste due grandi descrizioni dell'universo non riescono ancora a convivere completamente: quando si cerca di descrivere situazioni estreme, come l'interno di un buco nero o i primissimi istanti dopo il Big Bang, le due teorie entrano in conflitto. Questo significa che il nostro modello dell'universo è potentissimo, ma probabilmente non è ancora completo.

C'è poi una domanda che continuo a rimandare, perché sento di non avere ancora gli strumenti per affrontarla: perché la velocità dovrebbe influenzare il tempo? Per ora mi basta sapere che è così e che gli esperimenti lo confermano. Il "perché" più profondo lo lascio ai fisici teorici, almeno finché non avrò imparato abbastanza per provarci anch'io.

Quello che mi porto a casa

Se dovessi riassumere tutto questo articolo in una sola frase, direi questa: per tutta la vita ho pensato che Einstein avesse cambiato la fisica grazie a formule geniali. Oggi credo che il vero punto di partenza sia stato un altro: ha avuto il coraggio di prendere sul serio una domanda che quasi tutti avrebbero liquidato come impossibile.

Forse è questa la lezione che mi porto a casa: la scienza non nasce dalle risposte, nasce dalle domande.

Cosa abbiamo capito

• Per secoli il tempo è stato considerato uguale per tutti.
• Le equazioni di Maxwell misero in evidenza un problema che la fisica classica non riusciva a spiegare.
• Einstein affrontò quel problema partendo da un esperimento mentale.
• La relatività ristretta mostrò che spazio e tempo non sono assoluti.
• Gli effetti della relatività sono stati confermati sperimentalmente e trovano applicazione anche nel GPS.

La prossima domanda: i due postulati della relatività

Se il tempo non scorre allo stesso modo per tutti, viene naturale chiedersi un'altra cosa: quali sono le idee di partenza della relatività ristretta? Nel 1905 Einstein costruì tutta la sua teoria su due postulati apparentemente semplici. Perché proprio quei due? E perché cambiano completamente il nostro modo di guardare l'universo? Sarà questa la domanda del prossimo articolo.

Fonti e approfondimenti

Per la stesura di questo articolo ho consultato testi divulgativi e fonti dedicate alla storia della relatività e della fisica moderna.

• Albert Einstein, Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento (1905).
• Max Born, La teoria della relatività di Einstein.
• Abraham Pais, Subtle Is the Lord....
• Stanford Encyclopedia of Philosophy – Special Relativity.
• Esperimento di Hafele e Keating (1971).
• Materiale divulgativo NASA sul GPS e sulla relatività.

Questo articolo racconta il mio percorso di studio e comprensione della relatività. Non vuole sostituire un testo universitario, ma accompagnare il lettore nella scoperta delle idee che hanno portato Einstein a rivoluzionare il nostro modo di descrivere lo spazio e il tempo.

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EL-IA: Bene. Problema risolto. Il tempo non è uguale per tutti. Possiamo passare ai buchi neri?

AI-DA: Hai saltato giusto un paio di passaggi.

EL-IA: Quali?

AI-DA: I due postulati della relatività ristretta. Senza quelli non hai ancora capito perché tutto questo funziona.

EL-IA: Dettagli.

AI-DA: Per un'intelligenza artificiale, forse. Per Claudia direi di no.

Claudia: Direi proprio di no. Ho aspettato vent'anni per capire questa storia. Posso aspettare ancora qualche giorno prima di arrivare ai buchi neri.

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Prossime tappe del percorso: 

• Che cos'è davvero il tempo? Dalla vita quotidiana alla fisica moderna 
• Perché è così difficile capire Einstein e la fisica moderna?
• La scienza spiegata a me stessa