Quando Newton nei Principia pubblico il suo scolio con il celebre esperimento del secchio da cui derivava l'esistenza di uno spazio e un tempo assoluto, ovvero come condizione di misurabilità dello spazio e del tempo fisico, non tutti i contemporanei concordarono con lui; in particolare Gottfried Leibniz rimase convinto che il moto fosse solo relativo ad altri oggetti e che spazio e tempo fossero espressioni utili solamente per definire tale relazione https://gquadroblogs.files.wordpress.com/2017/05/newton-leibniz.png?w=1230; certo l’esperimento del secchio continuava a non avere altra soluzione al di là di quella proposta da Newton, così che l’idea newtoniana rimase dominante per circa trecento anni. https://images.slideplayer.it/40/11189117/slides/slide_22.jpg
A fianco all’interpretazione fisica del fenomeno tempo si svilupparono altre idee, tra cui spicca quella del grande filosofo tedesco Immanuel Kant. Egli propose l’idea che il tempo sia qualcosa di intrinseco alla natura dell’uomo, cioè una forma a priori della sensibilità, così che esso è assoluto rispetto all’uomo che non può pensare senza di esso ma relativo rispetto al mondo in quanto non deriva da esso. Il filosofo di Königsberg ha sottolineato, anche, come il tempo più che al movimento si lega alla categoria di causalità: l’ordine di successione temporale nell’uomo è ricondotto all’ordine causale. In pratica ogni cosa è individuata in un tempo ben preciso solo a condizione che “nello stato precedente vi sia un’altra cosa che a essa debba seguire sempre”. https://thumbs.dreamstime.com/x/reazione-catena-del-domino-grigio-con-diverse-telecamere-movimento-di-un-che-cambiano-l-ultimo-piedi-e-cambia-colore-159843888.jpg
Nell'800 a mettere in discussione l’idea fisica di spazio e di tempo proposta da Newton fu il filosofo austriaco Ernst Waldfried Josef Wenzel Mach (1838-1916) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Ernst-Mach-1900.jpg. Mach contestava a Newton il fatto che egli non avesse considerato nessun altro oggetto al di la del secchio e dell’acqua, cioè che non sia possibile eliminare, come detto da Newton, l’ambiente circostante; infatti quant’anche il secchio fosse appeso in una stanza completamente vuota vi sarebbero pur sempre le pareti, ma anche togliendo queste e collocando il secchio al centro dell’universo vi sarebbero altri riferimenti come le stelle. Dunque l’avvallamento dell’acqua registrato da Newton nell'esperimento dipenderebbe per Mach dal resto della materia presente nell’Universo. Mach sostiene che se vi fosse la possibilità di effettuare l’esperimento in un universo realmente vuoto non vi sarebbe alcun moto e neanche nessun avvallamento della superficie dell’acqua. https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcS1E0tS2Gu_DeFvc_GYeOVXDXPBwZvIXSR5mVJI5QXJpCjHML2Y&usqp=CAU 
In sostanza nella condizione di un Universo vuoto non solo non percepiremmo alcunché, ma perfino il concetto di movimento, velocità ed accelerazione non avrebbero alcun senso. Secondo questa idea il tempo e lo spazio, e con loro il movimento, erano determinati dal fatto che nell’Universo vi era della materia e dunque non vi sarebbe nessun spazio e tempo assoluto. Ma anche l'ipotesi di Mach ha i suoi inconvenienti infatti rimane da spiegare come possono le stelle lontanissime influire sulla rotazione dell’acqua del secchio. https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcTRLeF6c4CPRWXRZffaN4brwEfjnFNj9P25h-CcC7ZqsoOzttYS&usqp=CAU
Nel 1905 Albert Einstein propose una soluzione originale in un articolo dal titolo Elettrodinamica dei corpi in movimento. Einstein non era affatto concorde nell’usare il termine relatività nella sua divulgazione perché temeva che la sua teoria fosse fraintesa o confusa con prospettive soggettivistiche (come quella del filosofo francese Henri-Louis Bergson https://cdn.studenti.stbm.it/images/2017/05/11/henri-bergson-orig.jpeg) o relativistiche. Einstein invece puntava ad un obiettivo ben preciso che con il relativismo non aveva nulla a che fare ovvero voleva individuare delle leggi che valessero in ogni circostanza e in ogni sistema di riferimento, cioè fossero invarianti rispetto al contesto, in altri termini ad una teoria ASSOLUTA.
L'altro punto di partenza di Einstein, dopo l'esperimento di Michelson e Morley, era che la velocità della luce, al di là di ogni condizione, rimaneva costante ed era pari a circa 299.000 km/sec. https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcQYDrCB298XAJnV6CVNF8u6w4BsiEYfzVnNshBeyoaR7SU5RYmB&usqp=CAU
Pertanto alla base della sua teoria Einstein pose due assoluti ben saldi:
- La costanza della velocita della luce
- L’invarianza delle leggi della fisica
Einstein suppose che se era vero che la velocità di un corpo in generale è data dallo spazio fratto il tempo (v=s/t), e se la velocità della luce era effettivamente costante a prescindere dal punto di riferimento adottato, allora dovevano essere lo spazio e il tempo a variare nel caso di velocità prossime a quella della luce. Ciò valicava l’assunto newtoniano che vi fossero delle condizioni assolute di misurabilità, e superava anche l'idea kantiana che spazio e tempo fossero forme relative rispetto alle cose perchè modalità della percezione umana.
Cosa significa tuttavia dire che spazio e tempo variano? Cosa significa affermare che ho visto un evento alle ore 7 https://c8.alamy.com/comp/R538GD/white-alarm-clock-showing-seven-oclock-R538GD.jpg, si chiede Einstein, cosa sto in realtà affermando? Cosa significa questa dichiarazione? Di fatto con una affermazione di questo tipo si vuol dire che l'evento che io sto osservando e simultaneo al fatto che la lancetta del mio orologio indichi il numero 7 sul quadrante. Pertanto quando ho a che fare con espressioni del tipo ho visto un lampo in cielo alle 7 sto in realtà riconoscendo che vi sono stati 2 eventi: la lancetta che segna le 7 e il lampo, che sono rilevati simultaneamente. La domanda che si fa Einstein è la seguente: la simultaneità si conserva anche quando cambiamo sistema di riferimento (cioè in moto e non in quiete)?
Proviamo ad immaginare questo esperimento. Vi sono due osservatori, il primo immobile in un campo di fronte ad una ferrovia, posto tra due tralicci ferroviari, il secondo dentro un vagone ferroviario posto anch’esso in mezzo ai due tralicci della ferrovia. Immaginiamo che imperversi un temporale e che ad un certo punto una saetta si divida e vada “simultaneamente” a colpire i due tralicci, cosa vedranno i due soggetti? Prendiamo il caso in cui il vagone su cui è posto il secondo osservatore sia fermo, in questo caso entrambe i gli osservatori vedranno colpire i tralicci simultaneamente e guardando i loro orologi concorderanno che l’evento è accaduto supponiamo alle 7 del mattino. Prendiamo adesso il caso in cui, diversamente, il secondo osservatore che si trova dentro al vagone non sia fermo perché il vagone è trasportato a grande velocita dal traliccio A verso il traliccio B. In questo caso cosa vedranno i due osservatori? Mentre il primo osservatore continuerà a vedere gli eventi in modo simultaneo, cioè le due saette colpire i tralicci alle 7 del mattino, il secondo osservatore spostandosi verso il traliccio B vedrà che questo viene colpito prima dalla saetta perché appunto andando incontro all’evento gli risulterà anticipato di 10” prima delle sette del mattino, mentre allontanandosi dal traliccio A vedrà che questo è colpito 10” secondi dopo le 7 del mattino. In questo esperimento (che a causa della bassa velocità dei treni non può che essere solo mentale) si comprende facilmente che il concetto di simultaneità perde il suo significato originario. http://3.bp.blogspot.com/-ssry0mBwVaA/TwV9krzzjNI/AAAAAAAACkY/l2EgmI29_yo/s1600/Presentazione+standard1.jpg
Proviamo ha fare un altro esempio: immaginiamo di essere in una stanza dalle pareti trasparenti in modo che dall'esterno una persona possa vedere molto bene ciò che accade all'interno. La nostra stanza si sta muovendo nello spazio a velocità costante v.
Al centro della stanza abbiamo una sorgente di luce che quando viene accesa lancia un segnale luminoso contro la parete di fronte a noi ed un altro verso la parete alle nostre spalle. Quando questa sorgente di Luce al centro della mia stanza trasparente viene accesa vediamo che la luce arriva su entrambe le pareti simultaneamente perché la velocità della luce viaggia con velocità costante c.
Adesso immaginiamo di essere fuori dalla stanza in quiete e che la stanza ci passa davanti con una certa velocità v; osserviamo lo stesso fenomeno: vedremo che il segnale luminoso arriva prima contro la parete che si sta avvicinando a noi mentre arriva dopo nell'altra parete che si sta allontanando da noi.
Da ciò risulta evidente che cambiando i sistemi di riferimento il tempo cambia.
Ciò significa per Einstein che con l’aumentare della velocità di un corpo anche lo spazio ed il tempo cambiavano la loro estensione, da ciò deriva che: un orologio che è portato al braccio di un pilota d’aereo al volante del suo veicolo alla velocità di 300 km/l gira sensibilmente più lentamente di un orologio posto al braccio di un signore comodamente fermo in poltrona a leggere il giornale. Questo significa che, a differenza di ciò che pensava Newton, il movimento nello spazio non è distinto dal movimento nel tempo. Un auto parcheggiata in garage ci appare ferma ma in realtà si sta muovendo nel tempo (con una velocità pari al valore assunto dalla velocità della luce); se l’auto fosse messa in moto per andare a fare una scampagnata e percorresse la strada ad una velocità media di 50 km/h, parte del suo moto nel tempo verrebbe sottratto ed impiegato per il movimento nello spazio. In sostanza il “moto totale” (nello spazio e nel tempo) di un oggetto ha un valore identico alla velocità della luce e poiché questa è costante, se ne utilizza di più per il movimento nello spazio, ne rimane di meno per il movimento nel tempo e vice versa. Ecco perché la velocità della luce rimaneva immutata, questa infatti, svolge già tutto il suo moto nello spazio, in sostanza non ha più moto temporale da poter utilizzare e alla velocità della luce il tempo smette di scorrere!
In base alla relatività ristretta un ente “x” che si muove ad alta velocità vede contrarre lo spazio e il tempo. In cosa consiste questa contrazione: le due quantità che abbiamo a disposizione sono la velocità del dell'ente “x” che indichiamo con v è la velocità della luce che è costante ed indichiamo con c, il fattore di contrazione di Einstein risulta pertanto (1-v2/c2)½ che semplificata equivale a 1-½v2/c2
Quando un ente è in posizione di riposo si ha v = 0 e di conseguenza non sia alcuna contrazione 1- ½02/c2=1-0=1 altresì per una persona che si muove in modo molto lento il fattore di contrazione si riduce a un valore trascurabile, se assumiamo che questa entità sia un individuo “x” possiamo affermare che tanto più esso si muove velocemente tanto più diventa inferiore la percezione che questi ha di un centimetro o di un secondo.
Da questa analisi sorge immediatamente un interrogativo: com'è possibile che la luce ovvero le onde elettromagnetiche fossero le uniche a mantenere invariata la loro velocità a differenza di tutte le altre entità?
Secondo Einstein nel momento in cui si afferma che non esiste l'etere luminifero le onde elettromagnetiche e la luce sono svincolate da qualsiasi mezzo materiale e possono essere considerate come energia pura e priva di massa e non avendo massa non subiscono alcun attrito. https://st2.depositphotos.com/1007971/5191/i/950/depositphotos_51916439-stock-photo-pure-energy-and-electricity-symbolizing.jpg
Einstein notò che il principio di contrazione ci dice qualcosa anche a proposito della massa e dell'energia, ma in questo caso sembrava funzionare all'inverso ovvero con l'aumentare della velocità di un ente “x” la massa e l'energia si espandono secondo un valore reciproco a quello del fattore di contrazione. In sostanza ogni qualvolta qualcuno si muove velocemente la sua massa e la sua energia si espandono.
A questo punto Einstein si chiede cosa succede agli oggetti quando si muovono alla stessa velocità della luce ossia quando v è uguale a c: (1-c2/c2) ½=(1-1) ½=0
Nel caso un ente si sposti alla stessa velocità della luce lo spazio il tempo si contraggono fino a diventare nulli e viceversa la massa è l'energia si espandono all'infinito. https://tuttoqua.files.wordpress.com/2008/09/black-holes-paolog.jpg
A questo punto Einstein si chiese che cosa mette in relazione la massa con l'energia? Prendiamo un ente “x” e vediamo che cosa accade nel momento in cui aumentiamo o diminuiamo la sua velocità:
mettiamo che tale ente rallenti il suo moto, la sua massa sarebbe diminuita secondo il fattore di contrazione tale che 1- ½v2/c2
ovvero la sua massa veniva ridotta di una frazione pari a ½v2/c2 dell'intero, in sostanza indicando con m la massa si avrebbe che mx ½v2/c2
Questo fece notare ad Einstein che vi era una relazione tra questa formula e quella che esprime l'energia cinetica (K)
K= ½mv2
In sostanza la perdita di massa del nostro ente “x” equivale alla formula dell’energia cinetica divisa per c2
K/c2=mx ½v2/c2=perdita di massa
Ma se l’energia divisa per la velocità della luce da la massa allora si può, attraverso una formula inversa, ottenere che l’energia è uguale alla massa per la velocità della luce:
E/c2=m ⇒ E=mc2
Questo rappresenta l’ultimo dei grandi 5 risultati trovati da Einstein nel 1905 ovvero che la massa poteva essere trasformata in energia e l’energia in massa cioè che non si trattava di due realtà diverse ma di due aspetti di un'unica realtà.
Quando il giovane scienziato propose queste tesi non vi era modo di confermare sperimentalmente i calcoli matematici; solo nel 1971 Joseph Hofele e Richard Keating collocarono alcuni orologi atomici al cesio su un aereo di linea Pan Am che fece il giro del mondo. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3e/Hafele%E2%80%93Keating.jpg/350px-Hafele%E2%80%93Keating.jpg Quando li confrontarono con altri identici, rimasti fermi a terra, notarono che i primi due indicavano una minor quantità di tempo trascorsa. La differenza era minima alcune centinaia di millesimi di secondo, ma in perfetta sintonia con le previsioni fatte dalla teoria della relatività di Einstein che sfortunatamente non ha potuto assistere a questo risultato.
