Nello scritto precedente, “moto relativo e moto assoluto”, abbiamo ipotizzato che la realtà esterna possa essere interpretata o analizzata. Ambedue le attività, d’interpretazione e di analisi, richiedono un soggetto pensante. Il fisico, quando studia i fenomeni, a volte li interpreta, a volte li analizza. La cinematica, ovvero lo studio del moto dei corpi, è un’interpretazione della realtà. L’interpretazione è soggettiva e dipende dal sistema di riferimento utilizzato. Questo sistema è scelto dal soggetto. Quando si afferma che il moto assoluto non esiste (motus reale est nullum), s’intende proprio questo: la stasi e il moto di un corpo dipendono dal sistema di riferimento con cui avviene l’interpretazione della realtà.
Per esempio, mentre passeggiamo, possiamo interpretare la realtà esterna utilizzando come sistema di riferimento il nostro soma o la scena. Nella prima circostanza percepiamo (interpretando) la scena che si muove; nella seconda circostanza, percepiamo (interpretando) che il nostro soma si muove sulla scena.
Il sistema nervoso di ogni essere vivente è strutturato per interpretare la realtà. I piani corporei hanno proprio questa funzione interpretativa. Grazie ai piani corporei, l’animale si orienta interpretando cosa è a destra cosa è a sinistra, ecc.
Di un oggetto non possiamo dire se, di per sé, è grande o piccolo. Quando affermiamo che un oggetto è grande, stiamo interpretando la realtà esterna. L’essere grande di un oggetto, infatti, dipende dal riferimento che scegliamo di utilizzare.
Il sistema nervoso, oltre ad interpretare, analizza la realtà. L’analisi ci consente di percepire “cosa è” la realtà esterna. Per esempio, quando percepiamo un colore, non stiamo interpretando, stiamo analizzando la realtà esterna. Lo stesso avviene quando percepiamo la forza di gravità o il dolore oppure la forma.
Nel sistema nervoso, le due vie, interpretativa e analizzante sono distinte e separate. La via interpretativa è la via del “dove”; la via analizzante è la via del “che cosa”.
La realtà fisica è interpretata quando assumiamo riferimenti ad hoc, rispetto cui i sistemi variano o non variano. Riteniamo che, in fisica, ci siamo tre pilastri interpretativi della realtà. Si tratta del “riferimento concernente la posizione”, del “riferimento concernente la grandezza” e del “riferimento concernente la normalità”.
Un sistema può variare la propria posizione rispetto a un altro sistema assunto come riferimento. Quando osserviamo la variazione di posizione di un sistema (un corpo) rispetto a un riferimento da noi introdotto, stiamo interpretando la realtà esterna.
Un sistema può variare di grandezza rispetto a un altro sistema assunto come riferimento. Quando osserviamo la variazione di grandezza di un corpo rispetto al sistema metrico decimale, stiamo interpretando la realtà esterna.
Infine, un sistema può variare rispetto alla “norma” assunta dal soggetto pensante. Quando introduciamo il principio di causa-effetto per spiegare i fenomeni, stiamo interpretando la realtà. Con questo principio inseriamo una causa sanante che spiega il comportamento “anormale” di un sistema.
Il passaggio dall’interpretazione all’analisi della realtà esterna richiede che i riferimenti non siano introdotti ad hoc dal soggetto pensante. In natura, l’energia ha riferimenti intrinseci, rispetto cui varia. Si tratta di costanti naturali, rispetto cui avvengono le variazioni.
La costante di Planck “h” concerne la grandezza dell’energia, cioè la sua intensità. La costante di Planck è un riferimento intrinseco all’energia. È l’unità di misura dell’intensità energetica. Non c’è bisogno di interpretare con riferimenti ad hoc (che possono essere modificati) l’intensità energetica. L’unità di misura è stabilita dalla natura ed è fissa.
La velocità della luce nel vuoto (“c”) è un’altra costante fisica. La radiazione elettromagnetica ha un proprio riferimento intrinseco rispetto cui modifica la propria posizione. La variazione di posizione avviene sempre alla stessa velocità. Non c’è bisogno di interpretare con riferimenti ad hoc (che possono essere modificati) il moto dell’energia.
Il principio di causa-effetto richiede una spiegazione più dettagliata. Vaccarino sintetizzava i diversi concetti di moto per Aristotele, Galileo ed Einstein, partendo da ciò che questi tre scienziati assumevano come “normale”. Secondo Vaccarino, Aristotele considerava “normale” la stasi (stare fermi). I corpi, per Aristotele, tendono naturalmente alla stasi. Se un corpo si muove, quindi, è da ricercare una causa di questo moto. Il motore immobile di Aristotele è la causa prima di ogni moto. Il punto di vista Aristotelico è poco funzionale allo sviluppo della fisica come scienza. Da questo punto di vista, infatti, occorre trovare una causa per spiegare il moto rettilineo uniforme e un’altra causa per spiegare il moto uniformemente accelerato.
Secondo Vaccarino, Galileo considera come “normale” anche il moto rettilineo uniforme. I corpi, quindi, tendono per loro natura a stare fermi oppure a muoversi di moto rettilineo uniforme (principio d’inerzia). Il punto di vista galileiano da l’avvio alla fisica moderna. Per Newton, un corpo modifica il suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme quando è soggetto a una forza esterna F = ma. Questa legge spiega il moto uniformemente accelerato: a = F/m.
Come abbiamo già scritto, il principio di causa/effetto è, anch’esso, un’interpretazione della realtà. Questo principio discende da ciò che interpretiamo come “normale”. Se è normale il moto rettilineo uniforme dei corpi, dobbiamo spiegare l’anormalità del moto uniformemente accelerato. Inseriamo una “causa sanante” (una forza esterna) che elimina l’anormalità del moto uniformemente accelerato. Il corpo si muoverebbe di moto rettilineo uniforme ma, a causa di una forza, accelera.
Secondo Vaccarino, Einstein compie un passo successivo rispetto a Galileo e Newton. Einstein assume come “normale” il moto uniformemente accelerato. Per Einstein, quindi, non occorre introdurre una causa esterna che spieghi l’accelerazione. Il concetto di “forza” newtoniano, inserito per spiegare il moto uniformemente accelerato, diventa superfluo.
Considerando come normale il moto uniformemente accelerato, Einstein elimina dai processi fisici il principio interpretativo della realtà, cioè il principio di causa-effetto. In questo modo egli può analizzare ciò che accade, senza alcuna interpretazione del soggetto pensante.
Con Einstein, la gravitazione non è interpretata con l’inserimento di una causa sanante (la forza di Newton). Inoltre la gravitazione non è interpretata attraverso un sistema di riferimento, che può essere modificato. Con Einstein, la gravitazione è analizzata. Egli analizza ciò che realmente accade in natura senza alcuna interpretazione soggettiva.
Einstein non solo considera “normale” il moto uniformemente accelerato, ma equipara accelerazione e gravitazione. A tal proposito, Einstein introduce il “principio di equivalenza”: accelerazione = gravità, dove il segno “=” indica l’equivalenza, cioè lo stesso valore energetico.
Le ragioni che indussero Einstein a costruire la Relatività Generale, si possono spiegare, nei loro principi di base, ricorrendo a degli esperimenti ideali. Il più importante è noto come l’ascensore di Einstein.
Tutti gli oggetti cadono al suolo con la stessa accelerazione e già questo era noto a Galileo. Immaginiamo ora un ascensore all’ultimo piano di un grattacielo e supponiamo che non vi sia aria in esso. Di colpo si spezza il cavo portante e la cabina inizia a cadere liberamente con accelerazione costante. Contemporaneamente una persona che si trova nel suo interno lascia cadere un sasso e una piuma. La forza di gravità attrae allo stesso modo sia i due oggetti sia l’ascensore, per cui la velocità relativa tra sasso e piuma è nulla. In altre parole sia il sasso sia la piuma non arrivano a toccare il fondo dell’ascensore, dal momento che quest’ultimo sta cadendo con la loro stessa accelerazione. L’uomo all’interno della cabina potrebbe quindi a buon diritto affermare di trovarsi in una zona dello spazio lontana dall’azione gravitazionale di stelle e pianeti, dal momento che i due oggetti lasciati a se stessi rimangono sospesi a mezz’aria.
Consideriamo ora la situazione opposta: la cabina viene posta in una zona dello spazio dove non agiscono forze gravitazionali, ad esempio in una navetta spaziale in orbita terrestre. Supponiamo inoltre che la cabina venga “tirata” verso l’alto sempre con accelerazione costante tramite una fune collegata al soffitto. Se la persona all’interno dell’ascensore lascia andare la piuma e il sasso essi rimarranno al loro posto dal momento che nessuna forza agisce su di loro. Il pavimento però si sta muovendo verso l’alto e, prima o poi, raggiungerà i due oggetti. La persona all’interno dell’ascensore, ignorando la situazione esterna, può credere di trovarsi dentro un campo gravitazionale dal momento che, lasciando andare la piuma ed il sasso, essi “cadono” sul pavimento contemporaneamente. La persona stessa inoltre “sente” il proprio peso a causa del pavimento che spinge contro i piedi.
Si può quindi affermare che: gli effetti di un’accelerazione costante su di un osservatore sono equivalenti a quelli di un campo gravitazionale uniforme sullo stesso osservatore supposto in quiete. In questo consiste il famoso principio di equivalenza formulato da Einstein nel 1911. Sono state effettuate diverse verifiche sperimentali del principio di equivalenza e le principali prendono in considerazione due tipi di esperimenti: la bilancia gravitazionale ed il red-shift gravitazionale. Il grado di precisione con cui è stato verificato il principio d’equivalenza è talmente elevato da risultare uno dei pilastri dell’intera fisica moderna.
Abbiamo scritto che l’energia si manifesta durante un’interazione energetica tra due sistemi. Durante quest’interazione l’energia passa, muovendosi di moto immaginario alla velocità della luce, da un sistema all’altro. In questo passaggio l’energia si manifesta in forma di accelerazione (variazione istante per istante crescente)/decelerazione (variazione istante per istante decrescente) e campo gravitazionale (variazione istante per istante crescente/decrescente).
Abbiamo accettato l’idea di Vaccarino che Einstein assume come “normale” il moto uniformemente accelerato e la gravità. È normale, quindi, che un corpo si muova di moto uniformemente accelerato quando si trova in un campo gravitazione ed è anche normale che un corpo accelerando generi un campo gravitazionale. Sia la gravità sia l’accelerazione non richiedono forze esterne che ne siano causa. Possiamo semplicemente descrivere ciò che succede durante il passaggio di energia da un sistema all’altro. Così facendo, però, analizziamo ciò che realmente accade. Come esseri pensanti possiamo anche interpretare ciò che accade. L’interpretazione, però, non sempre coincide con l’analisi. Soffermiamoci sulle differenze tra analisi e interpretazione.
Quando l’ascensore precipita per la rottura del cavo, tra l’ascensore, Einstein, il sasso e la piuma non c’è alcuna interazione energetica. Ascensore, Einstein, sasso e piuma interagiscono, ciascuno per conto proprio, con la terra. L’energia di questa interazione si manifesta con un’accelerazione costante verso il suolo. Einstein è l’unico “essere senziente” tra quelli che subiscono l’accelerazione di gravità della terra. Egli, però, non può sentire (analizzare) questa forza che lo attira verso il basso. La forza di gravità, infatti, è sentita dal sistema tattile-somatosensitivo. Questo sistema richiede un “contatto”. Nel momento in cui Einstein precipita verso la terra, non c’è alcun contatto tra terra ed Einstein. Non c’è, quindi alcun modo per sentire, cioè analizzare il passaggio di energia, sotto forma di accelerazione, tra se stesso e la terra.
Supponiamo che, mentre l’ascensore precipita verso il suolo, Einstein possa vedere alcuni uccelli che si trovano fuori dall’ascensore. Egli percepisce con la vista il moto relativo del proprio corpo rispetto agli uccelli. Egli può dedurre dalla sua percezione visiva, che per sua natura è relativa, di precipitare verso il suolo. In questa drammatica situazione, egli può interpretare di essere soggetto a una forza esterna che è causa del suo precipitare.
Quando la cabina viene tirata verso l’alto, Einstein “sente” il proprio peso. Il suo sistema tattile-somatosensitivo sta analizzando ciò che accade. Il suo sistema visivo, quando Einstein lascia cadere i due oggetti, interpreta la realtà. Per Einstein non è il pavimento a muoversi, ma sono i due oggetti che cadono. Se Einstein vede fuori dalla cabina alcuni uccelli, egli interpreta ciò che gli sta accadendo in modo diverso. Ipotizza che la cabina stia accelerando.
Supponiamo di trovarci su una collina, di assistere alla rottura del cavo e di percepire con la vista l’ascensore, Einstein, il sasso e la piuma. Noi percepiamo la gravità della terra col nostro sistema tattile-somatosensitivo e interpretiamo questo sentire come una forza che ci spinge verso il suolo. Interpretiamo anche che i quattro oggetti precipitano verso il suolo attirati dalla stessa forza esterna.