Due secoli e più di esperienze e di teoria sostengono che la luce « deve » consistere di onde.Ma d'altra parte la legge fotoelettrica di Einstein afferma che la luce « deve » essere formata da fotoni.Questo fondamentale quesito - onde luminose o corpuscoli - non è ancora risolto. Il duplice carattere della luce è,in ogni modo,solo un aspetto di un più profondo e più importante dualismo che si trova dominante nei fenomeni naturali.

                                                                   Capitolo IV

Mentre la fisica quantistica definisce con grande accuratezza le relazioni matematiche che governano le unità fondamentali della radiazione e della materia, d'altra parte essa oscura la vera natura di ambedue.Molti tra i fisici moderni,però,considerano piuttosto ingenuo lo speculare sulla vera natura di qualsiasi cosa.Essi sono «positivisti», oppure «empiristi logici»,i quali stimano che uno scienziato non può far nulla di più che render conto delle sue osservazioni.E cosi se eseguisce due esperimenti con strumenti diversi di cui uno gli sembra rivelare che la luce è costituita di particelle e l'altro che la luce è composta di onde,egli deve accettare ambedue i risultati, considerandoli non contraddittori ma complementari.Preso isolatamente,nessuno dei due è sufficiente a spiegare il fenomeno,ma insieme si.Ambedue sono necessari per descrivere la realtà ed è inutile domandare quale sia quella vera.Perché nel campo astratto della fisica quantistica non esiste la parola «realtà». 

È futile,inoltre,sperare nell'invenzione di strumenti più delicati i quali permettano all'uomo di penetrare più addentro nel microcosmo.Esiste una indeterminazione in tutti gli avvenimenti dell'universo atomico,che nessun perfezionamento delle misure e delle osservazioni potrà mai superare.Il comportamento capriccioso dell'atomo non può essere attribuito all'inadeguatezza degli strumenti di cui l'uomo si serve per studiarlo.L'ostacolo risiede nella vera natura delle cose,come fu dimostrato da Heisenberg nel 1927 con la sua famosa enunciazione della legge fisica conosciuta come il « principio di indeterminazione ».Per illustrare questa tesi Heisenberg si figurò un esperimento immaginario nel quale un fisico tenta di osservare la posizione e velocità (') di un elettrone in moto, impiegando un potentissimo supermicroscopio.Ora,come già si è accennato,un singolo elettrone sembra che non abbia né posizione,né velocità definite.Il fisico può stabilire accuratamente il comportamento di un elettrone solo trattando con un gran numero di essi.Quando,invece,cerca di localizzare un particolare elettrone nello spazio,egli potrà dire solamente che un certo punto nell'insieme dei moti ondulatori del gruppo di elettroni rappresenta la « probabile » posizione dell'elettrone in questione.Il singolo elettrone è un oggetto confuso,indeterminato,come il vento o l'onda sonora nella notte,e quanto minore è il numero degli elettroni con cui il fisico ha a che fare, altrettanto più indeterminate risultano le sue scoperte.A provare che questa indeterminazione è un sintomo non della immatura scienza umana,ma di una insormontabile barriera della natura,Heisenberg ha supposto che un immaginario microscopio,adoperato da un altrettanto immaginario fisico,possa avere un ingrandimento fino a cento miliardi di diametri,cioè tanto da portare un oggetto,che abbia le dimensioni di un elettrone;entro il campo della visibilità umana.Ma qui si presenta un'altra difficoltà.Essendo l'elettrone più piccolo dell'onda luminosa il fisico può « illuminare » il suo soggetto soltanto impiegando radiazioni di lunghezza di onda più corta;anche i raggi X non possono servire.L'elettrone può esser visibile solo con i raggi gamma ad alta frequenza del radio.Ma l'effetto fotoelettrico,si ricorderà,ha dimostrato che i fotoni di luce ordinaria esercitano una forza violenta sugli elettroni,ed i raggi X li colpiscono in modo ancora più violento.Quindi l'urto di raggi gamma ancor più potenti risulterebbe disastroso.

Il principio di indeterminazione afferma quindi che è assolutamente e per sempre impossibile determinare allo stesso tempo la posizione e la velocità di un elettrone,stabilire sicuramente che un elettrone è «proprio là in quel certo luogo» e si muove a «tale o talaltra velocità».Perchè,nello stesso momento in cui si osserva la sua posizione, la sua velocità è già cambiata,ed inversamente,con quanta maggior precisione viene determinata la sua velocità, tanto più indefinita diventa la sua posizione.E quando il fisico calcola il limite matematico di incertezza nelle misure della posizione e velocità di un elettrone,egli trova che è sempre una funzione di quella misteriosa quantità: la costante h di Planck. 

La fisica quantistica ha cosi demolito due colonne della vecchia scienza:causalità e determinismo.Perché trattando in termini di statistica e di probabilità si abbandona ogni idea che la natura proceda con una inflessibile sequenza di cause ed effetti.Ammettendo tali margini di incertezza si preclude l'antica speranza che la scienza,dato lo stato presente e la velocità di ogni corpo materiale nell'universo,possa prevedere tutta la storia dell'universo.Un corollario di questa rinunzia è un nuovo argomento per l'esistenza del libero arbitrio.Se è vero che gli eventi fisici sono indeterminati e quindi il futuro non si può predire,allora forse la misteriosa entità che diciamo « mente » può ancora guidare il destino umano fra le infinite incertezze di un capriccioso universo.Ma questo concetto invade una zona del pensiero con la quale il fisico nulla ha a che fare.Un'altra conclusione di grande importanza scientifica consiste nell'evoluzione della fisica quantistica.La barriera fra l'uomo,il quale scruta timidamente attraverso le limitate capacità dei suoi sensi,e qualsiasi realtà obiettiva che possa esistere,è diventata quasi insormontabile.Infatti ogni volta che egli tenta di penetrare e scrutare nel « reale » mondo obiettivo,cambia ed altera il meccanismo di esso per il solo fatto di doverlo osservare.E quando tenta di separare questo mondo « reale » dalle percezioni dei suoi sensi,non gli rimane che uno schema matematico.Egli si trova dunque nella posizione di un cieco il quale tenta di discernere la forma e struttura di un fiocco di neve.Appena tocca con le dita o la lingua il fiocco di neve,questo si scioglie.Un elettrone,un fotone,un'onda di probabilità,non possono essere visualizzati;essi sono semplici simboli utili per rappresentare le relazioni matematiche del microcosmo.

Alla domanda:perché la fisica moderna impiega metodi descrittivi cosi esoterici,il fisico risponde:perché le equazioni della fisica quantistica definiscono più accuratamente di ogni modello meccanico il fenomeno fondamentale che oltrepassa i limiti della visione.In altre parole tali metodi « funzionano »,come hanno provato in modo spettacoloso i calcoli che hanno condotto alla bomba atomica.Il fine del fisico pratico è,quindi,quello di enunciare le leggi di natura in termini matematici sempre più precisi.Mentre i fisici del XIX secolo si figurarono l'elettricità come un fluido e,seguendo questa metafora,svilupparono le leggi che hanno condotto alla nostra èra elettrica,il fisico del ventesimo secolo rifugge da tali metafore.Egli sa che la elettricità non è un fluido,sa che i pittoreschi concetti quali « onde » e «   particelle »,mentre servono di guida a nuove scoperte,non possono essere accettati come una vera rappresentazione della realtà.Nell'astratto linguaggio della matematica egli può descrivere come si comportano le cose anche se non conosce,o gli importa di conoscere,ciò che esse sono . 

Esistono però al giorno d'oggi dei fisici per i quali l'abisso fra scienza e realtà costituisce una sfida.Einstein ha più di una volta espresso la speranza che il metodo statistico della fisica quantistica sia un espediente temporaneo. « Io non posso credere » confessa « che Dio giochi a dadi col mondo ». Egli ripudia la dottrina positivista per la quale la scienza possa solo riferire e collegare i risultati delle osservazioni.Crede,invece,in un universo di ordine e di armonia e pensa altresì che con la ricerca l'uomo possa ancora raggiungere una conoscenza della realtà fisica.A questo scopo egli non ha guardato nell'interno dell'atomo,ma all'esterno,alle stelle,ed ancora al di là di esse nelle infinite profondità dello spazio e del tempo.

                                                           Capitolo V
Il filosofo John Locke nel suo famoso trattato,« Saggio sull'intelletto umano »,trecento anni fà scriveva: « Di un certo numero di scacchi che si trovano disposti su alcuni quadretti della scacchiera dove li abbiamo lasciati,noi diciamo che si trovano immobili allo stesso posto,anche se la scacchiera sia stata portata nel frattempo da una stanza all'altra... La scacchiera,diciamo ancora,è allo stesso posto se rimane nella cabina,mentre forse il piroscafo con le vele spiegate ha navigato per tutto il tempo;la nave si dice che è allo stesso posto se ha mantenuto la sua posizione rispetto alla terra vicina,mentre la terra stessa ha frattanto compiuto il suo giro;cosi dunque scacchi, scacchiera e piroscafo hanno cambiato di posto relativamente a corpi piu lontani ».

In questa semplice immagine degli scacchi che si muovono eppure sembrano fermi,appare il principio della relatività - relatività di posizione.E da questa si passa ad un'altra idea:la relatività del moto.Chi ha viaggiato in ferrovia sa come un altro treno correndo nella direzione opposta gli passi davanti come un lampo e,al contrario,come appaia quasi immobile quando procede nella stessa sua direzione.Una variante di questo effetto ci può molto ingannare in una stazione chiusa come il Grand Central Terminal di New York.Qualche volta un treno si mette in moto tanto dolcemente che i passeggeri non soffrono la scossa opposta al senso del moto:se stanno guardando fuori dal finestrino e vedono un altro treno in moto sul binario vicino,essi non riusciranno a capire quale treno è in moto e quale è immobile;e neppure potranno dire con quale velocità questo o quello si muove ed in quale direzione.Il solo modo che i passeggeri hanno di giudicare che cosa sta succedendo è di guardare dalla parte opposta della carrozza un oggetto fisso quale punto di riferimento,ad esempio la piattaforma della stazione o un segnale luminoso. Newton(') era al corrente di questi scherzi del moto,sebbene si limitasse alle navi.Egli sapeva come nei giorni di bonaccia,in alto mare un marinaio può radersi o bere il suo brodo tranquillamente come avviene quando il piroscafo è immobile nel porto.L'acqua nella sua catinella,la minestra nella sua scodella,rimangono immobili anche se la nave percorre 5,15 o 25 nodi all'ora.A meno che egli guardi la superficie del mare gli sarà impossibile di percepire a quale velocità navighi il suo bastimento o addirittura se sia fermo od in moto.È ovvio che se il mare è in burrasca o il battello cambia rotta improvvisamente allora si accorgerà del suo stato di moto.Dato e concesso che esistano le ideali condizioni di un mare liscio come olio o di un bastimento silenzioso,nulla di quanto avviene nei ponti sottostanti,nessuna osservazione od esperimento meccanico che venga eseguito dentro la nave,denoterà la sua velocità sulla superficie del mare.Il principio fisico suggerito da queste considerazioni venne formulato da Newton nel 1687 come segue: « I moti dei corpi che si trovano in un dato spazio,sono relativamente gli stessi,sia che lo spazio stesso si trovi in stato di quiete sia che si muova di moto uniforme in linea retta ».Questo è appunto il cosiddetto principio della relatività galileiano o newtoniano.Si può anche enunciarlo in termini più generali: « Le leggi meccaniche che sono valide in un dato luogo sono altrettanto valide in ogni altro luogo che si muova uniformemente rispetto al primo ».

L'importanza filosofica di questo principio risulta chiara quando lo si applichi allo studio dell'universo.Poiché lo scopo della scienza è quello di spiegare il mondo in cui viviamo,come un tutto e nelle singole sue parti,è indispensabile che lo scienziato abbia fiducia nell'armonia della natura.Egli deve credere che le leggi fisiche valide sulla terra sono in verità leggi universali.Proprio cosi:dalla caduta di una mela alla rotazione dei pianeti attorno al sole,Newton giunse ad enunciare una legge universale.E quando illustrò il principio del moto relativo con l'esempio di una nave sul mare,la nave a cui egli pensava era in verità la terra.Per le esigenze ordinarie della scienza la terra può essere considerata come un sistema stazionario.Possiamo dire,se più ci aggrada,che le montagne,gli alberi,le case sono immobili,mentre gli animali,le automobili e gli aeroplani si muovono.Per l'astronomo,invece,la terra è tutt'altro che immobile,essa si sposta attraverso lo spazio in modo vertiginoso e complicatissimo.Oltre alla sua rotazione giornaliera attorno al suo asse,alla velocità di 1.600 km. all'ora,e alla sua rivoluzione annuale attorno al sole alla velocità di 32 km. al secondo,la terra compie un certo numero di altri moti meno conosciuti. Contrariamente a quanto si crede in generale,la luna non ruota attorno alla terra;i due corpi ruotano uno attorno all'altro più precisamente attorno al comune centro di massa.L'intero sistema solare per di più si muove entro a quello che si chiama il « sistema locale » di stelle alla velocità di 22 km. al secondo;il sistema stellare locale a sua volta si muove entro la Via Lattea alla velocità di 320 km. al secondo,ed infine la intera Via Lattea va alla deriva con riferimento alle remote galassie esterne alla velocità di 160 km. al secondo;tutto questo in diverse direzioni!

                                                             Capitolo VI
Ma l’«etere» presentava alcuni problemi,non ultimo dei quali quello della sua esistenza,che non si era mai potuta provare.Per scoprire in modo sicuro se veramente esistesse questo etere,due fisici americani,A. A. Michelson e E. W. Morley,effettuarono nel 1881 a Cleveland un classico esperimento.
Il principio su cui si basava la loro esperienza era molto semplice.Essi pensarono che se tutto lo spazio è semplicemente un oceano immobile di etere,allora il moto della terra attraverso l’etere poteva esser scoperto e misurato nello stesso modo con cui i marinai misurano la velocità di una nave sul mare.Come Newton aveva accennato,è impossibile accorgersi del movimento di una nave,su di un mare tranquillo,per mezzo di esperimenti meccanici eseguiti nell’«interno» del bastimento.I marinai misurano la velocità della nave gettando fuori bordo il solcometro ed osservando lo svolgersi dei nodi sulla sagola del solcometro.Allo scopo di individuare il moto della terra attraverso l’oceano di etere,Michelson e Morley lanciarono nello spazio un simile «solcometro»;era questo un raggio di luce.Se la luce si propaga veramente attraverso l’etere,la sua velocità dovrebbe venire influenzata dal flusso di etere suscitato dal moto della terra.Propriamente un raggio di luce,lanciato in direzione del movimento della terra,dovrebbe subire un lieve ritardo a causa del flusso di etere,proprio come un nuotatore prova maggior fatica nuotando contro corrente.Si tratta di una piccola differenza,poiché la velocità della luce(accuratamente determinata già nel 1849)è di 300.000 km. al secondo,mentre la velocità della terra nella sua orbita attorno al sole non raggiunge che i 32 km. al secondo.Perciò un raggio di luce lanciato contro il flusso dell’etere dovrà viaggiare alla velocità di 299.968 km. al secondo,mentre un raggio di luce diretto con il flusso di etere dovrebbe essere lanciato alla velocità di 300.032 km. al secondo.Michelson e Morley con queste precise idee costruirono uno strumento la cui grande sensibilità poteva arrivare a scoprire una variazione fino ad i km. e mezzo per secondo nella enorme velocità della luce.Questo strumento,da loro chiamato « interferometro »,consiste in un insieme di specchi così sistemati,che un raggio di luce può venire diviso in due,e lanciato in direzioni diverse allo stesso tempo.L’esperimento fu progettato ed eseguito con tale meticolosa precisione da non lasciar dubbi sul risultato.E questo fu semplicemente che non esisteva alcuna differenza nella velocità dei raggi luminosi,qualunque fosse la direzione in cui essi si propagavano.
L’esperimento Michelson - Morley mise gli scienziati in una imbarazzante alternativa.Da un lato essi potevano eliminare la teoria dell’etere per mezzo della quale si erano spiegati tanti fatti intorno all’elettricità,magnetismo e luce.Oppure potevano insistere nel mantenere l’etere,ma allora dovevano abbandonare la ancora più venerabile teoria copernicana,cioè della terra ruotante intorno al sole.Per molti fisici sembrava quasi più facile sostenere che la terra sia immobile piuttosto che credere alla esistenza di onde "onde luminose", "onde elettromagnetiche" senza un mezzo che le sostenga.Era un serio dilemma,ed esso divise il pensiero scientifico per un quarto di secolo.Molte nuove ipotesi vennero formulate e poi respinte.L’esperimento fu ripetuto nuovamente da Morley e da altri,ma sempre con la medesima conclusione:la velocità apparente della terra attraverso l’etere risulta nulla.

L’interferornetro di Michelson e Morley consisteva in un dispositivo di specchi,collocato in modo che un fascio di raggi trasmesso da una sorgente luminosa (nella figura a sinistra) si divideva dirigendosi allo stesso tempo in due direzioni.Ciò era ottenuto a mezzo di uno specchio A,la cui superficie era semiargentata,per modo che una parte del fascio poteva attraversarlo per colpire lo specchio C (a destra) e l’altra parte veniva riflessa ad angolo retto verso lo specchio B.Gli specchi B e C riflettevano poi i raggi di nuovo allo specchio A,dove nuovamente riuniti procedevano verso il cannocchiale di osservazione T. Poiché il fascio ACT deve passare tre volte attraverso lo spessore del vetro dietro alla superficie riflettente dello specchio A,una lastra trasparente di vetro di uguale spessore era collocata fra A e B, intercettando il fascio ABT,e compensandolo per questo ritardo.L’intero apparecchio veniva ruotato in direzioni diverse,però in modo che i fasci ABT e ACT potevano essere diretti nella stessa direzione,o quella contraria o ad angoli retti rispetto alla creduta corrente di etere.A prima vista può sembrare che il tragitto «secondo la corrente» per esempio da B ad A,dovesse compensare in durata di tempo un tragitto «contro corrente» da A fino a B. Ma non è cosi.Per condurre una barca a remi un chilometro contro corrente ed un altro chilometro seguendo la corrente occorre un tempo maggiore che remare per due chilometri in acque tranquille o attraverso la corrente,sia pure tenendo conto della deriva.Se avesse avuto luogo una accelerazione od un ritardo dell’uno o l’altro fascio causati dalla corrente di etere lo si sarebbe certo scoperto con l’apparecchio ottico in T.

Fra coloro che riflettevano sull’enigma dell’esperimento Michelson-Morley vi era un giovane impiegato dell’ufficio brevetti di Berna:Albert Einstein.Nel 1905,a 26 anni,egli pubblicò una breve nota che offriva una spiegazione al quesito,ed aprì un nuovo mondo al pensiero fisico.Einstein cominciò coll’abbandonare la teoria dell’etere e con essa tutta l’idea dello spazio inteso come un sistema fisso e insieme assolutamente immobile,entro il quale fosse possibile distinguere il moto assoluto dal moto relativo.L’esperimento Michelson-Morley aveva stabilito un fatto indiscutibile:il moto della terra non ha alcuna influenza sulla velocità della luce.Questo fatto fu per Einstein la rivelazione di una legge universale.Se la velocità della luce è costante,indifferente al moto terrestre - egli ragionava - deve essere costante ed indifferente anche al moto di qualsiasi sole,luna,meteora,od altri sistemi vaganti per l’universo.Da questo principio Einstein derivò una più vasta generalizzazione affermando che le leggi della natura sono uguali per tutti i sistemi che si muovono di moto uniforme.Questa semplice affermazione è l’essenza della teoria della relatività ristretta di Einstein.Essa comprendeva il principio galileiano della relatività,il quale enuncia che le leggi meccaniche sono le stesse per tutti i sistemi che si muovono con moto uniforme.Ma l’enunciazione di Einstein era più generale;perché egli pensava non soltanto alle leggi meccaniche,ma anche a quelle che governano la luce e gli altri fenomeni elettromagnetici.Cosi egli riunì queste leggi in un postulato fondamentale:tutti i fenomeni della natura,tutte le leggi della natura sono uguali per tutti i sistemi che si muovono di moto uniforme relativamente l’uno all’altro.
In verità nulla vi è di anormale in questa formulazione.Essa conferma la fede dello scienziato nell’armonia universale delle leggi naturali.Consiglia inoltre allo scienziato di non continuare inutilmente la ricerca di un sistema di riferimento assoluto e stazionario nell’universo.Questo è tutto in movimento:stelle,nebulose,galassie e tutti gli immensi sistemi gravitazionali dell’infinito sono in moto continuo.Ma i loro movimenti possono essere descritti solo uno relativamente all’altro,poiché nello spazio non vi sono né direzioni,né confini.E quindi una futile impresa per lo scienziato cercar di scoprire la «vera » velocità di un sistema impiegando la luce come misura metrica,perché la velocità della luce è costante per tutto l’universo e non subisce modificazioni.Né per il moto della sua sorgente,né per quello di chi la riceve.La natura non ci offre alcun «campione» di confronto e lo spazio,come affermava un altro grande matematico tedesco,Leibniz,due secoli,prima di Einstein,è semplicemente «l’ordine o il rapporto delle cose fra di loro».Lo spazio senza gli oggetti che lo occupano è nullo.
Oltre che aver eliminato lo spazio assoluto,Einstein ha eliminato anche il concetto di tempo assoluto - flusso di tempo determinato,invariabile e universale,senza posa scorrente dall’infinito passato a quello futuro.Gran parte delle difficoltà di comprendere la teoria della relatività proviene dalla riluttanza umana a riconoscere che il senso del tempo,come quello del colore,è solo una forma di percezione.Come non esiste ciò che noi chiamiamo « colore » senza l’occhio per distinguerlo,cosi un istante,un’ora o un giorno sono nulla senza un avvenimento che li distingua. Analogamente,come lo spazio è semplicemente un possibile ordine di oggetti materiali,cosi il tempo è solo un possibile ordine di avvenimenti.La soggettività del tempo è bene spiegata dalle stesse parole di Einstein: «Le esperienze di un individuo» egli dice «ci appaiono ordinate in una serie di singoli avvenimenti,che noi ricordiamo apparire ordinati secondo il criterio di "anteriore" o "posteriore".Esiste quindi per l’individuo un tempo suo proprio, cioè un tempo soggettivo.Questo,in se stesso,non è misurabile.Noi possiamo associare numeri ed eventi in modo tale che un numero maggiore sia associato con un avvenimento posteriore,piuttosto che con uno anteriore.Questa continuità possiamo definirla per mezzo di un orologio,paragonando l’ordine degli avvenimenti dato dall’orologio con l’ordine di una determinata serie di eventi.Noi intendiamo per "orologio" uno strumento che ci fornisca il modo di contare una serie di avvenimenti».
Nel riferire le nostre proprie esperienze ad un orologio (od a un calendario) noi facciamo del tempo un concetto obiettivo.Eppure gli intervalli di tempo,determinati dall’orologio o dal calendario,non sono in alcun modo quantità assolute imposte da un editto divino all’intero universo.Tutti gli orologi adoperati dall’uomo sono costruiti con ingranaggi regolati sul moto della terra nel nostro sistema solare.Quella che da noi è chiamata «ora» non è in verità che una misura spaziale,un arco di 15 gradi,nell’apparente rotazione diurna della sfera celeste.E quello che noi chiamiamo «anno» è solo una misura del cammino della terra nella sua orbita attorno al sole.Un abitante di Mercurio avrebbe nozioni di tempo molto diverse.Mercurio compie il suo giro attorno al sole in 88 dei nostri giorni,e nello stesso periodo ruota una volta sola attorno al suo asse.Quindi su Mercurio un anno e un giorno hanno la stessa durata.Ma quando la scienza si spinge al di là del sistema solare,allora tutte le nostre cognizioni terrestri di tempo perdono ogni significato.La relatività infatti ci informa che non esiste un intervallo fisso di tempo indipendente dal sistema al quale è riferito.Non può esistere la simultaneità,né il concetto che noi esprimiamo con le parole «in questo momento» che sia indipendente da un sistema di riferimento.Per esempio una persona a New York telefona ad un amico a Londra e malgrado la diversità dell’ora,essendo,per esempio,le 7 pomeridiane a New York e contemporaneamente mezzanotte a Londra,noi diciamo che essi parlano «allo stesso istante».Ciò avviene perché essi vivono sullo stesso pianeta,ed i loro orologi sono basati sullo stesso sistema astronomico.Una situazione più complicata si presenta cercando di stabilire,per esempio,che cosa avviene sulla stella Arturo «proprio in questo momento».Arturo è lontano da noi 38 anni-luce.Un anno-luce è la distanza che la luce percorre in un anno,all’incirca dieci trilioni di chilometri.Se potessimo comunicare con Arturo per radio «in questo momento» occorrerebbero 38 anni al nostro messaggio per raggiungere la sua destinazione e dovremmo attendere la risposta per altri 38 anni.(Le onde-radio viaggiano alla stessa velocità delle onde luminose).E quando noi osserviamo Arturo dicendo che lo vediamo «adesso»,poniamo nell’anno 1949,in verità non vediamo che una immagine proiettata sui nostri nervi ottici dai raggi luminosi che hanno lasciato la loro sorgente nel 1912. Se Arturo veramente esiste «in questo momento» la natura ci impedisce di saperlo fino al 1988.
Malgrado queste riflessioni è difficile per l’uomo,legato alla terra,accettare l’idea che un dato istante come quello che egli chiama «adesso» non si possa applicare all’intero universo.Eppure nella teoria della relatività ristretta Einstein prova,con una indiscutibile serie di esempi e deduzioni,che è una assurdità immaginare degli avvenimenti i quali si producono simultaneamente in sistemi che non siano in relazione l’uno con l’altro.I suoi argomenti si svolgono sui seguenti concetti.
Prima di tutto è necessario convincersi che lo scienziato,il cui compito è quello di descrivere gli avvenimenti fisici in termini obiettivi,non può impiegare parole soggettive come «questo»,«qui» e «adesso».Per lui i concetti di spazio e di tempo assumono un significato fisico solo quando le relazioni fra avvenimenti e sistemi sono definite.È quindi continuamente necessario per lui,trattando argomenti i quali hanno a che fare con le forme complesse del moto (come nella meccanica celeste,elettrodinamica,ecc.),riferire le grandezze trovate in un sistema con quelle che esistono in un altro.Le leggi matematiche,che definiscono queste relazioni,sono conosciute sotto il nome di «leggi di trasformazione».La trasformazione più semplice può essere illustrata con l’esempio di un uomo il quale passeggia sul ponte di una nave;se egli cammina sul ponte verso prua con una velocità di 4 chilometri all’ora e la nave fa 20 chilometri all’ora,la velocità dell’uomo in confronto alla superficie del mare in quiete è di 24 chilometri all’ora;se cammina verso poppa,la sua velocità con riferimento al mare è quindi di 16 chilometri all’ora.Un altro esempio si può immaginare pensando ad una campana acustica d’allarme che suoni ad un passaggio a livello.Le onde sonore prodotte dalla campana si spandono attraverso l’aria circostante alla velocità di 330 metri al secondo. Un treno in quel momento passa attraverso il passaggio a livello alla velocità di 20 metri al secondo.Quindi la velocità del suono relativamente al treno è di 350 metri al secondo,fino a tanto che il treno si avvicina alla campana,ed è invece di 310 metri al secondo appena il treno è passato davanti alla campana.Questa semplice somma delle velocità è basata su di un evidente senso comune,e fu applicata ai problemi del moto combinato fino dai tempi di Galileo.Serie difficoltà sorgono,però,quando questo principio si debba usare in connessione con la luce.
In un suo scritto Einstein mette in evidenza queste difficoltà con un altro esempio ferroviario.Siamo di nuovo ad un passaggio a livello,segnalato questa volta da lampi luminosi che si propagano lungo il binario con la velocità di 300 mila km. al secondo,che è la velocità costante della luce conosciuta in fisica col simbolo c.Un treno avanza verso il segnale luminoso con una data velocità.Sommando le velocità si conclude che la velocità del raggio di luce relativamente al treno è c più v quando il treno si muove verso il segnale,e c meno v appena il treno lo ha sorpassato.Questo risultato è in contrasto con quello dell’esperimento Michelson-Morley,i quali hanno dimostrato, come si è detto, che la velocità della luce non viene alterata dal moto della sorgente o dal moto del soggetto che la riceve.Questo strano fatto è stato pure confermato dallo studio delle stelle doppie le quali ruotano attorno ad un comune centro di massa.Una analisi accurata di questi sistemi ruotanti ha dimostrato come la luce della stella che si avvicina raggiunge la terra proprio con la stessa velocità di quella della stella che si allontana.Poiché la velocità della luce è una costante universale,essa non può,nell’esempio della ferrovia dato da Einstein,esser influenzata dalla velocità del treno.Anche immaginando che il treno corra verso il segnale luminoso alla velocità di 15.000 km. al secondo,il principio della costanza della velocità della luce ci dice che un viaggiatore nel treno potrebbe verificare come la velocità del raggio luminoso che gli viene incontro viaggia proprio con la velocità di 300 mila km. al secondo.Il dilemma presentato da questa situazione è assai più interessante dell’indovinello di un giornale del la domenica.Invero esso si presenta come un grande enigma della natura.Einstein comprese che il problema sta nell’irriconciliabile conflitto tra la sua convinzione che la velocità della luce sia costante,e il principio della somma delle velocità.Sebbene questo principio sembri esser basato sulla ferrea logica della matematica (cioè che due più due fanno quattro),Einstein riconobbe nella sua teoria una legge fondamentale della natura.Egli concluse perciò che si doveva trovare una nuova regola di trasformazione che permettesse allo scienziato di rappresentare le relazioni fra i sistemi in moto in tal maniera che i risultati si conformassero ai fatti conosciuti riguardanti la luce.