Perché non esiste lo spazio assoluto, ovvero Michelson-Morley Vs Newton e Russell

Interferometro

Ci sono delle ragioni teoriche per dubitare dell’esistenza dello spazio assoluto newtoniano? Per rispondere a questa domanda dobbiamo riflettere più attentamente di quanto non abbiamo fatto finora su alcuni principi della meccanica classica. In particolare dobbiamo riflettere sulla relazione tra il principio di relatività galileiano e il concetto di sistema inerziale.

Un sistema di coordinate si dice inerziale se non sta accelerando o, il che è lo stesso, se su di esso non agiscono forze. Ma ciò può solo accadere in due casi:

  1. Se il sistema si trova in uno stato di quiete assoluta.
  2. Se il sistema è in moto rettilineo uniforme.

Il concetto di sistema inerziale non sembra dunque escludere in linea di principio l’esistenza dello spazio assoluto.

La meccanica classica si fonda però anche sul principio di relatività galileiano, il quale afferma che le leggi della meccanica devono avere la stessa forma in tutti i sistemi inerziali.

Ciò significa che se lo spazio assoluto esiste, allora, per il principio di relatività, le leggi fisiche devono avere la stessa forma sia per un sistema di riferimento in quiete assoluta sia per un sistema di riferimento in moto rettilineo uniforme. La ragione è questa: se esiste uno stato di quiete assoluta, allora un corpo che si trovasse in quello stato non sarebbe soggetto a forze, e quindi sarebbe per definizione un sistema inerziale. Ma se è un sistema inerziale, allora le leggi fisiche che lo riguardano devono avere la stessa forma di un sistema che si trovi in moto rettilineo uniforme. Il principio di relatività e il concetto di spazio assoluto non sembrano dunque escludersi a vicenda. Di questo avviso era, ad esempio, Bertrand Russell che, nel suo monumentale I principi della matematica scriveva:

il moto assoluto è essenziale per la dinamica, ed esso implica lo spazio assoluto. Tale fatto, che costituisce una difficoltà per le filosofie correnti, è invece per noi una potente conferma della logica sulla quale sono state basate le nostre discussioni.

In questo articolo cercherò di mostrare che Russell si sbagliava. Il mio argomento è questo: o lo spazio assoluto esiste, ma allora il principio di relatività non è valido; oppure il principio di relatività è valido, ma allora lo spazio assoluto non esiste.

La tesi che intendo sostenere può a prima vista sembrare paradossale e controintuitiva. Ma, come vedremo, ci sono delle forti ragioni logicheepistemologiche e, da ultimo, empiriche a sostegno della mia posizione.

L’identità degli indiscernibili

Le ragioni di ordine logico hanno a che fare con il principio dell’identità degli indiscernibili. Questo principio, che dobbiamo a Leibniz, ha la seguente forma logica:

F(FxFy) → x=y

Il principio si legge così: se, per ogni proprietà F, l’oggetto x possiede F se e solo se l’oggetto y possiede F, allora x è identico a y. Un modo meno formale e più intuitivo di esprimere questo principio consiste nel dire che se due oggetti x e hanno le stesse proprietà, allora non sono due oggetti, ma un oggetto.

Il principio degli indiscernibili è il nostro primo indizio a sostegno della nostra tesi. Infatti, se il principio di relatività è valido sia per i sistemi di riferimento che si trovano in quiete assoluta che per quelli in moto rettilineo uniforme, allora non c’è alcun modo per distinguere un sistema dall’altro. Nessun esperimento condotto all’interno di un sistema inerziale potrà mai dirci se ci troviamo in quiete assoluta o se ci stiamo muovendo. Ma allora per quale ragione dovremmo supporre che esistano due stati di cose (la quiete e il moto rettilineo uniforme) e non uno?

Ma se si ammette che possa esistere un solo stato di cose, questo potrà solo essere il moto rettilineo uniforme, non la quiete assoluta. Possono infatti esistere infiniti sistemi inerziali in moto relativo l’uno rispetto all’altro, mentre può esistere un solo stato di quiete assoluta.

La clausola del significato

Strettamente legato al principio degli indiscernibili è un altro principio, stavolta epistemologico, che si chiama clausola del significato. Ecco come lo formula Einstein:

concetti e distinzioni sono ammissibili solo nella misura in cui dei fatti osservabili possano essere loro riferiti senza ambiguità (clausola del significato per concetti e distinzioni). Questo postulato, di pertinenza dell’epistemologia, è di fondamentale importanza.

Il caso che stiamo considerando è, in questo senso, paradigmatico. Il concetto di sistema inerziale non ci permette di distinguere tra lo stato di quiete e il moto rettilineo uniforme, e proprio per questo non è riferibile, senza ambiguità, a dei fatti osservabili. Ne consegue che la distinzione è priva di significato. Non, però, nel senso neopositivistico della totale mancanza di significato (di fatto siamo capaci di immaginare un mondo che comprende un sistema di riferimento assoluto); ma nel senso relativo, e cioè: la distinzione non ha significato fisico, non ha alcuna ricaduta sul modo in cui i fenomeni naturali vengono descritti.

L’etere come spazio assoluto

Ma supponiamo, per un momento, che non sia così: supponiamo cioè che lo spazio assoluto esista e che la sua esistenza soddisfi la clausola einsteiniana del significato. Ciò significherebbe che la distinzione tra un sistema di riferimento in quiete assoluta e uno in modo rettilineo uniforme è riferibile senza ambiguità a dei fatti osservabili. In questo caso dovremmo rinunciare al principio di relatività galileiano, perché avremmo a che fare con due diversi tipi di sistema inerziale per i quali le leggi fisiche hanno una forma diversa.

Il caso che sto prospettando non è affatto teorico, ma è stato preso seriamente in considerazione nel XIX secolo, dopo la scoperta della natura ondulatoria della luce, ad opera di Thomas Young. Se la luce è un’onda, allora deve esistere un mezzo che le permette di propagarsi nello spazio. A questo mezzo è stato dato il nome di etere luminifero.

Il problema, a questo punto, era di determinare quale fosse la natura dell’etere. Più precisamente, si trattava di capire se l’etere avesse un carattere puramente meccanico oppure no. Dire che l’etere ha carattere meccanico significa dire che è soggetto alle leggi della meccanica classica e che, pertanto, si comporta come l’aria. Ad esempio: se chiudo ermeticamente le pareti di una scatola, la quantità di etere presente in essa viene trascinata con essa. Ciò significa, però, che se faccio partire un’onda luminosa da una scatola in movimento, l’onda viaggerà a velocità diverse rispetto a un osservatore esterno: più velocemente nella direzione del moto e più lentamente nella direzione contraria al moto. In questo caso, la velocità della luce non sarebbe costante, ma dipenderebbe dalla velocità relativa della sorgente luminosa. Ciò sarebbe perfettamente coerente con i principi della meccanica classica.

Se invece l’etere non ha carattere meccanico, allora il suo comportamento non presenta alcuna analogia con quello di un’onda sonora. Una scatola chiusa ermeticamente non porta a spasso con sé l’etere. Piuttosto l’etere permea e attraversa la materia come un grande oceano senza prendere parte al moto. L’etere sarebbe allora la rappresentazione fisica dello spazio assoluto newtoniano.

In questo caso, un sistema di coordinate K0 che si trovasse in quiete rispetto all’essere sarebbe in quiete assoluta, e un sistema Kin moto rettilineo uniforme rispetto ad esso sarebbe in moto assoluto. Ma allora dovremmo rinunciare al principio di relatività galileiano: in quanto K0 è un sistema avente il privilegio assoluto di servire come termine di paragone per gli altri sistemi di riferimento, alcune leggi fisiche dovrebbero avere una forma differente per questo sistema.

Per comprendere il senso di questa mia ultima affermazione, immaginiamo di condurre il seguente esperimento: una sorgente luminosa in moto assoluto emette un raggio luminoso all’interno di una scatola trasparente. Un osservatore esterno che si trovi in uno stato di quiete assoluta descrive quello che vede. Ecco cosa direbbe: la mia posizione di identifica con l’oceano d’etere. Per me la luce di propaga alla stessa velocità in tutte le direzioni.

Un osservatore interno alla scatola racconterebbe invece una storia diversa: io mi sto muovendo attraverso l’oceano d’etere. L’onda di luce lanciata dal centro della scatola raggiungerebbe una parete prima dell’altra.

Ciò significa, in altre parole, che se lo spazio assoluto esiste, allora la velocità della luce sarebbe la stessa in tutte le direzioni solo per l’osservatore privilegiato che si trova in K0.

L’esperimento Michelson-Morley

L’esperimento che abbiamo appena descritto è cruciale, perché mette alla prova ipotesi dell’esistenza dello spazio assoluto. Esso è stato condotto da Albert Abraham Michelson e da Edward Morley. L’esperimento consisteva nel dividere un raggio di luce in due raggi che viaggiano perpendicolarmente e che vengono poi fatti convergere su uno schermo per formare una figura di interferenza. L’idea era che se l’etere esiste, allora avrebbe fatto viaggiare i raggi di luce a velocità diverse lungo il percorso. Ciò avrebbe dovuto creare una figura di interferenza diversa a seconda dell’orientamento dei raggi luminosi rispetto all’etere (figura sotto, a destra).

 

MichelsonMorleyAnimationDE

Nulla di tutto ciò accadde, però. Ciò può significare solo una cosa: che la luce si propaga alla stessa velocità in tutte le direzioni (figura sopra, a sinistra). Ma se così stanno le cose, ne consegue che l’etere non esiste. Il principio di relatività galileiano viene così salvato, ma al prezzo di rinunciare all’antica superstizione dello spazio assoluto.

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