Questo articolo è uscito sulla newsletter di scienza e innovazione tecnologica One More Thing di Massimo Sideri. Per iscriversi cliccare qui.
Forse nulla come l’orologio può raccontare le intricate forze divergenti che incrociandosi – talvolta per gioco del caso, del destino o come diceva Louis Pasteur favorendo le “menti preparate ad accoglierlo” – formano quella che chiamiamo scienza. Anche nelle sue innate contraddizioni che ne alimentano la spinta continua a migliorarsi falsificando se stessa come avrebbe spiegato l’epistemologo Karl Popper. Così per secoli la scienza ha cercato di risolvere il proprio dilemma intrinseco inseguendo il sogno dell’orologio preciso: come si poteva valutare la correttezza degli esperimenti o misurare, per esempio, la “velocità della luce in un secondo” senza avere strumenti del tutto affidabili? Il bello della scienza è che dopo quei secoli di conquiste attraversate da geni come Galileo Galilei e Gauss (qui gli episodi precedenti della storia degli orologi per i nuovi iscritti: 1 Chi ha inventato l’orologio moderno? Galilei, per misurare la velocità della luce (anche se non ci riuscì), 2 L’isola del giorno prima di Umberto Eco e il dilemma della longitudine. Così la marina inglese inventò la “globalizzazione” e 3 L’errore del “New York Times” del 1909 che spinse il norvegese Amundsen (con una piccola bugia e un orologio) a conquistare il Polo Sud), è bastato un singolo scienziato a dimostrare esattamente il contrario: gli orologi non possono essere “affidabili” fino in fondo, perché per la teoria della relatività il tempo si muove a diverse “velocità”. Avete capito che parliamo degli orologi di Albert Einstein. Teoria direte. Elucubrazioni affascinanti che però non incontreremo mai uscendo di casa.
Ma non è così. La viviamo tutti i giorni, anche oggi, anche adesso. Solo che non ce ne rendiamo conto. Non solo la deformazione dello spaziotempo in relazione alla gravità è stata dimostrata nel 1971 orologi alla mano ma in realtà lo stesso fenomeno lo sperimentiamo inconsapevolmente anche tutti quotidianamente: ogni volta che apriamo Google Maps o usiamo il Gps o il sistema Galileo (i nostri smartphone ormai passano dal sistema Usa a quello europeo senza dircelo a seconda della copertura del momento anche se Gps è diventato una sorta di sineddoche: è una parte ma rappresenta in realtà nel linguaggio comune tutti i sistemi di geolocalizzazione).
Di fatto senza il lavoro di Galilei sull’isocronismo del pendolo e il successivo utilizzo di questa legge fisica per l’ideazione dei bilancieri che ancora oggi sono il cuore tecnologico degli orologi meccanici Albert Einstein non avrebbe potuto immaginare la relatività.
La vita stessa dello scienziato è strettamente intrecciata difatti agli orologi come dimostra anche il suo più famoso esperimento mentale (suo il copyright della frase: “L’immaginazione conta più della conoscenza”): un cavaliere che cavalca alla velocità della luce non raggiungerà mai lo specchio che gli viaggia davanti alla stessa velocità e dunque, paradossalmente, non potrà mai specchiarsi. In questo stesso esperimento anni dopo porrà degli orologi dimostrando che possono sincronizzarsi solo se la luce viaggia senza interferenze alla stessa velocità (c che sta per celeritas, in latino) sia in andata che in ritorno anche se tutto il sistema si sta muovendo.
Senza entrare nella portata distruttiva di questa affermazione (viene meno lo stesso concetto di simultaneità di un evento visto che uno stesso fatto, una esplosione, dipende dalla posizione e dagli spostamenti dei soggetti) vale ricordare che l’esperimento di Einstein venne influenzato dai suoi anni di lavoro meno “nobile”. Nel 1902 si trasferì per cercare fortuna a Berna e dopo poco entrò al numero 49 di Kramgasse, dove si trova oggi l’Einsteinhaus. A giugno di quello stesso anno iniziò a lavorare all’Ufficio federale della proprietà intellettuale della città. Siamo in Svizzera, all’inizio del Novecento. Quali sono i brevetti che secondo voi Einstein deve valutare? Soprattutto orologi, cronografi e soprattutto brevetti sulla sincronizzazione degli orologi!
Di fatto su quella scrivania da impiegato Einstein penserà e perfezionerà le sue teorie fino al suo famoso annus mirabilis, il 1905. Il giovane scienziato incontra spesso gli amici Conrad Habicht e Maurice Solovine con i quali passa notti intere a parlare di fisica, di letteratura, di Dio e dell’Universo.
Inizia dai quei 5 lavori del 1905 un terremoto scientifico che non si assopirà più, portando lo stesso Einstein parzialmente in crisi: una volta per la bomba atomica e una seconda volta per le contraddizioni della fisica quantistica (ne ho scritto qui: Ma i computer quantistici sono impossibili da costruire? Viaggio nel mondo che mise in crisi anche Einstein).
L’esperimento del 1971
La storia dunque non poteva che concludersi che con degli orologi, anche se Albert Einstein non riuscì mai a vederli: dal 1905 ci vollero oltre 60 anni di tecnologia per costruire orologi atomici così precisi da poter essere utilizzati per dimostrare che il tempo viene effettivamente deformato dalla gravità (come accade in maniera plateale ma teoricamente corretta nel film di Christopher Nolan Interstellar quando il protagonista tornando da un viaggio all’interno di un buco nero incontra sua figlia molto più vecchia di lui).
Così solo nel 1971, due fisici americani, Joseph Hafele e Richard Keating, condussero un esperimento che sarebbe diventato un pilastro nella conferma della teoria della relatività. Questo esperimento, che misurò gli effetti relativistici sul tempo, dimostrò in modo concreto la validità delle previsioni della relatività speciale e generale. Sebbene la teoria della relatività di Einstein fosse stata teorizzata più di sessant’anni prima, le sue implicazioni più sorprendenti, come la dilatazione del tempo, erano ancora difficili da verificare sperimentalmente. L’esperimento di Hafele e Keating rappresentò uno dei test più significativi e diretti di queste teorie, utilizzando un mezzo del tutto quotidiano: gli orologi.
Per comprendere l’importanza dell’esperimento, è necessario ripassare brevemente i concetti fondamentali della teoria della relatività. La relatività speciale, proposta da Einstein nel 1905, cambia radicalmente la concezione tradizionale di tempo e spazio. Secondo questa teoria, il tempo non è una grandezza assoluta che scorre allo stesso ritmo per tutti gli osservatori, ma dipende dalla velocità relativa tra l’osservatore e l’oggetto in movimento. In altre parole, il tempo scorre più lentamente per un oggetto che si muove velocemente rispetto a un osservatore in quiete, un fenomeno noto come dilatazione del tempo. La relatività generale, formulata da Einstein nel 1915, estende queste idee introducendo il concetto che la gravità non è una forza che agisce a distanza, come postulato dalla legge di Newton, ma una curvatura dello spazio-tempo causata dalla massa di un oggetto (di fatto più che essere attratti da centro della Terra siamo come schiacciati e scivoliamo lungo il declivio dello spaziotempo). Questo implica che il tempo passi più lentamente vicino a un corpo massivo, come un pianeta o una stella.
L’Esperimento di Hafele e Keating
Nel 1971, Hafele e Keating idearono un esperimento audace per testare la dilatazione del tempo causata dalla velocità e dalla gravità. La loro idea si basava su una premessa semplice ma potente: utilizzare orologi atomici, i più precisi mai creati, e inviarli in viaggio su aerei commerciali. La domanda era: “Quanto il tempo misurato su un orologio che si muove su un aereo differisce da quello misurato su un orologio che rimane a terra?”.
Di fatto Hafele e Keating ripresero il famoso dilemma della longitudine nei viaggi delle navi del Settecento risolto da Harrison dove un orologio sulla nave doveva rimanere il più fedele possibile rispetto all’orologio del porto di partenza. Solo che qui bisognava misurare l’infedeltà.
Per questo esperimento, Hafele e Keating utilizzarono orologi atomici molto precisi, che misurano il tempo in base alla frequenza di oscillazione degli atomi (dei computer Hewlett Packard 5061A con un movimento Patek Philppe che nel 1952 aveva costruito il primo orologio completamente elettronico e poi il primo al quarzo). Gli orologi vennero sincronizzati a Washington D.C. e poi imbarcati su aerei che percorrevano rotte internazionali, sia verso est che verso ovest. Gli aerei volarono per circa 24 ore, coprendo un totale di decine di migliaia di chilometri, durante i quali i loro orologi atomici furono continuamente confrontati con quelli a terra.
Secondo le previsioni della relatività speciale e generale, l’orologio che viaggiava in direzione est (cioè in direzione della rotazione della Terra) avrebbe dovuto misurare un tempo più breve rispetto a quello di partenza, mentre l’orologio che volava in direzione ovest (contro la rotazione della Terra) avrebbe dovuto misurare un tempo maggiore. Questo perché, secondo la relatività, il movimento verso est accelera l’orologio, mentre il movimento verso ovest lo rallenta. Inoltre, gli effetti della gravità sulla dilatazione del tempo significano che gli orologi a bordo degli aerei, che erano più lontani dal centro della Terra rispetto agli orologi a terra, dovevano andare più velocemente a causa della minore intensità gravitazionale.
I risultati: da est a ovest sugli aerei
Al termine del volo, gli orologi a bordo degli aerei furono confrontati con gli orologi rimasti a terra. I risultati furono esattamente quelli previsti dalla teoria della relatività.
Gli orologi sui voli diretti a est mostravano un ritardo rispetto agli orologi a terra, in linea con la dilatazione del tempo dovuta alla velocità, come previsto dalla relatività speciale. La velocità dell’aereo aveva fatto sì che il tempo per l’orologio in movimento fosse trascorso più lentamente rispetto a quello che restava fermo.
Gli orologi sui voli diretti a ovest mostravano un anticipo rispetto agli orologi a terra. Questo fenomeno era causato dal fatto che l’aereo, muovendosi contro la rotazione della Terra, accumulava un movimento supplementare rispetto alla velocità di rotazione del pianeta, il che comportava una dilatazione del tempo.
Inoltre, l’effetto gravitazionale della Terra, che causava un rallentamento del tempo vicino alla sua superficie, contribuiva a una piccola ma misurabile differenza tra gli orologi. Gli orologi che si trovavano più lontano dal centro della Terra (quelli sugli aerei) mostravano una marcia più veloce rispetto a quelli che si trovavano sulla Terra, esattamente come predetto dalla relatività generale
Il test, inoltre, fu anche un passo importante verso l’integrazione della relatività nella nostra vita quotidiana. Ad esempio, i satelliti GPS, che sono oggi una parte fondamentale della nostra vita quotidiana, devono tenere conto degli effetti relativistici sia dovuti alla velocità che alla gravità per fornire una posizione precisa. Senza questi correttivi relativistici, i sistemi di navigazione satellitare accumulerebbero errori significativi.
Il tempo è il tutto scorre ma non tutti scorrono alla stessa velocità.
(Puntata 4. Fine)
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9 aprile 2025 ( modifica il 9 aprile 2025 | 17:16)
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