Il tempo e la luce nella teoria della relatività.

Il tempo e la luce nella teoria della relatività.
                              (autore F.Piperno)

   1. Introduzione

La questione del tempo, del comune concetto di tempo come flusso continuo,
ordinato e irreversibile è certamente la questione focale dell’epistemologia
contemporanea. Ma essa non è solo una questione accademica o un rompicapo
per esperti.
Ad un altro livello, a livello della vita quotidiana, nelle grandi metropoli
occidentali il tema del tempo sembra essere il tema comune a una larga serie
di questioni sociali che sono di tipo paradossale dal momento che sono, per
così dire, razionalmente insolubili a causa della convenzione temporale
comunemente accettata e della mentalità sociale che la convenzione stessa
contribuisce a promuovere. Così vi sono problemi sociali creati dal tempo e che
letteralmente si dileguano mutando la convenzione temporale.
Nell’epistemologia come nel senso comune un mutamento di significato del
tempo, della parola tempo, sembra delinearsi. Una trasformazione semantica
sembra essere la porta stretta attraverso la quale passare per potere percepire
altri fenomeni della natura e realizzare altri significati del vivere urbano.
Va da se che nell’epistemologia come nella vita quotidiana questo mutamento
è faticoso, incontra ostacoli nel suo compiersi e rischia di risolversi in un altro
aborto.
Ciò che è in gioco non è poco. Si tratta del calendario, istituzione autorevole
quanti altri mai.
In questo saggio viene analizzata una delle difficoltà epistemologiche che
incontra la posizione di pensiero che pone la natura del tempo nella
convenzione semantica, nel linguaggio. Questa difficoltà è il tempo fisico, cioè
il tempo come grandezza fisica, il tempo che permette di descrivere le leggi
fondamentali della natura.
Certo, il tempo di cui parlano oggi i fisici non è il tempo di cui parlava Newton.
Per Newton il tempo è assoluto, scorre uniforme nell’universo: ora è ora qui e
dovunque. Nella fisica contemporanea, grazie sopratutto allo sforzo di pensiero
di Einstein, il tempo ha lo statuto di una grandezza relativa all’osservatore.
Questa relatività del tempo non contraddice la natura reale del tempo, al
contrario, essa dona al tempo la stessa concretezza dello spazio o dell'energia.
La teoria della relatività sembra quindi costituire un ostacolo epistemologico
nell’argomentare la natura convenzionale del tempo. In particolare, essa
afferma che l’ordine causale tra due eventi, cioè il “prima” ed il “poi”
rispettivamente come causa ed effetto, è una grandezza assoluta, mentre la
simultaneità tra due eventi è relativa.
Il lavoro di Einstein sembra quindi concludersi nella relativizzazione dell’unica
certezza: il presente; e nella sostanzializzazione del tempo come flusso che dal
passato si muove verso il futuro.
In questo saggio si sostiene che la definizione einsteniana del tempo prima di
essere relativistica è convenzionale in senso non-triviale. Di conseguenza essa
nulla può dire sulla natura fisica del tempo che non sia già implicito nella
convenzione arbitrariamente scelta.

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2. Il sogno del piccolo Albert.

Racconta Einstein che da piccolo sognava più e più volte lo stesso sogno:
volare su un raggio di luce e guardare il mondo con gli occhi chiari della luce 1.
Questo sogno bizzarro è l’immagine autentica del tempo come definito dalla
teoria della relatività.
Nella relatività infatti la luce gioca il ruolo di misura assoluta del tempo. La
velocità della luce è posta, per definizione, uguale a una costante universale,
indipendente dall'osservatore, assoluta appunto2.
Per comprendere il significato del tempo relativo introdotto da Einstein vale la
pena di ricordare al lettore che, quando Albert era adolescente ed errava per
l'Europa, un grande dibattito animava l’intellighentia tecnico-scientifica
dell’epoca, un dibattito sulla natura della luce3. Questo dibattito accumulava
paradosso su paradosso; e due discipline fisiche di gran prestigio come la
meccanica newtoniana e l’ottica elettromagnetica di Maxwell prevedevano,
attraverso il calcolo, una fenomenologia della luce che era in evidente
contraddizione con le osservazioni sperimentali. La teoria di Maxwell ampliata
da Lorentz, affermava che la luce è un’onda elettromagnetica che viaggia a
velocità costante attraverso l’etere (mezzo assolutamente immobile che
pervade l’universo intero). Questo comporta, tra l’altro, che un osservatore
sulla Terra può in principio, misurando la velocità della luce rispetto alla Terra,
determinare la velocità della Terra rispetto all’etere. Ora questa possibilità era
esplicitamente esclusa dalla fisica newtoniana secondo la quale è impossibile
con una misura fisica stabilire se la Terra si muove o è forma rispetto all’etere
perchè le stesse leggi fisiche sono valide nei due casi. Inoltre, ed è quel che più
conta, una serie di esperimenti molto raffinati che segnano tra l’altro l’atto di
nascita della fisica nord-americana, smentiscono le previsioni della teoria
elettromagnetica della luce e conducono all’impossibilità di misurare la velocità
della Terra rispetto allo standard di riposo assoluto o etere. Michelson e Morley,
i due americani che avevano realizzato gli esperimenti, non avevano osservato,
infatti, alcuna variazione della velocità del raggio luminoso proveniente da una
stella tra quando la Terra si avvicina o si allontana dalla stella. La misura è
talmente raffinata che il risultato si può ritenere sperimentalmente certo. Ma
questo risultato getta nella costernazione i fisici. Michelson stesso confessa che
se avesse potuto prevedere questo risultato non avrebbe mai tentato la
misura.
Con l’esperimento di Michelson e Morley la comunità dei fisici è posta davanti
alla natura paradossale della luce quale risulta dall’insieme delle teorie fisiche
accettate. L’impossibilità di osservare il vento d’etere provocato dal movimento
della Terra pone un dubbio legittimo sull’esistenza stessa dell’etere, e quindi
sulla teoria dell’onda luminosa, perché un’onda abbisogna sempre di un mezzo
in cui propagarsi. D’altro canto buttare alle ortiche la teoria delle onde
elettromagnetiche sembrava (e lo era) un po’ suicida dal momento che essa
aveva permesso di unificare la spiegazione dei fenomeni elettrici conosciuti e,
sopratutto, scoprire una qualità nascosta del reale, le onde hertziane,
fenomeno fisico di cui nessuno aveva mai sospettato l’esistenza.
Nel dibattito tra i fisici le diverse posizioni erano tutte riferite a un solo
dilemma: abbandonare l’etere come un pregiudizio metafisico rinunciando così
alla sola teoria scientifica-tecnica della luce; tenere l’etere come sostanza non-
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osservabile in principio abbandonando il carattere sperimentale, propriamente
moderno, della fisica di Galileo e di Newton. Del resto un’interpretazione
dell’esperimento Michelson-Morley in termini tolemaici è assolutamente
legittima: l’immobilità assoluta della Terra nell’etere spiega perfettamente il
risultato negativo della misura4. La genialità di Einstein consiste nell’aver
compreso che il dilemma dell’etere non riguardava, come pure sembrava, la
natura della luce ma piuttosto la definizione del tempo. Ciò che bisognava
decidere nella comunità scientifica non era un giudizio di verità su un fatto
fisico ma un giudizio d’opportunità su una convenzione semantica. Così,
secondo Einstein, una nuova definizione di tempo permette di sfuggire al
dilemma dell’etere, permette cioè di abbandonare l’etere senza rinunciare alla
teoria dell’onda luminosa. Una nuova definizione del tempo opportunamente
scelta permette una definizione di velocità della luce senza alcun bisogno di un
mezzo materiale o etere attraverso cui propagarsi; la luce infatti, come risulta
dalla nuova definizione, non si propaga più, essa è propriamente immobile.
Il contributo scientifico di Einstein è questa pura critica dei concetti di tempo e
di luce. Concetti esaminati per così dire con carta e matita, nell’autonomia del
pensare, senza alcuna dipendenza da ulteriori informazioni di origine
sperimentale. Concetti trattati come cose da smontare per trovarne
l’articolazione.
Con Einstein entra nella fisica un altro significato della parola tempo e quindi
un altro modo di ragionare, un’altra mentalità temporale.
Ciò si è svolto non senza dolori, perchè era la prima volta, nell’epoca moderna,
che il tempo uniforme e continuo di Newton, ritenuto assoluto da scienziati e
profani per più di due secoli, si rivelava essere un’ipotesi senza fondamento
empirico. Il punto dal quale parte la critica di Einstein è la decomposizione del
tempo in due tempi epistemologicamente distinti: il tempo locale, cioè il tempo
degli eventi che avvengono attorno a noi, che sono sotto i nostri occhi, e il
tempo non-locale, cioè la datazione degli eventi lontani, dell’esistenza dei quali
ci accorgiamo solo quando ne riceviamo notizia, quando per così dire un
messaggero ci informa; come per esempio accade quando di notte osservando
il cielo ci accorgiamo che è nata una nuova stella. La luce ci informa sugli
eventi distanti, messaggero veloce quanti altri mai, essa colpisce i nostri occhi
dopo che l’evento astrale è accaduto.
La distinzione tra tempo locale e tempo non-locale è una distinzione
epistemologica. Il primo è un’operazione di misura, la lettura dell’orologio in
simultaneità con l’accadere dell’evento; il secondo è una coordinata, cioè un
valore numerico che si ottiene correggendo il tempo dell’orologio secondo un
fattore che tiene conto della distanza dell’evento dall’orologio nonché della
velocità con la quale la luce emessa dall’evento compie il suo viaggio verso
l’orologio.
Per Einstein datare un evento ha due significati secondo che l’evento sia locale
o non-locale; e ciò con ragione perché la lettura di un orologio e il tempo
assegnato per calcolo a questa lettura sono due concetti distinti: il primo è una
misura sperimentale; il secondo un valore convenzionale che dipende dal
mezzo di comunicazione che lega l’osservatore all’evento distante. Secondo
Einstein il tempo locale, possedendo un qualche orologio, è ben definito
attraverso la lettura dell’orologio; il tempo a distanza invece, il tempo al quale
accade un evento distante non è automaticamente definito dalla lettura
dell’orologio. Esso è propriamente senza definizione, constata Einstein, tanto
tra i fisici quanto nel senso comune. Il giovane Albert si cimenta attorno alla
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difficoltà di definire la simultaneità a distanza. E nel 1905 pubblica un corto
scritto5 in cui offre la sua definizione di tempo a distanza, una definizione
straordinariamente semplice. Due eventi tra loro non-locali sono simultanei se
e solamente se i due raggi di luce emessi al loro accadere raggiungono
simultaneamente l’occhio di un osservatore posto a metà della loro distanza. È
questa una definizione semplice e adeguata; semplice perchè riconduce dal
concetto di tempo a distanza al concetto chiaro di tempo locale; adeguata
perché fornisce un criterio empirico per decidere, ogni volta che l’occasione si
presenta, se c’è o non c’è la simultaneità a distanza. Su questa definizione di
simultaneità a distanza riposa tutta la teoria della relatività, cioè la concezione
del tempo come grandezza fisica che dipende dal movimento relativo degli
orologi che lo misurano, la concezione del tempo relativo. Perfino gli esiti
paradossali della teoria, volgarizzati nella letteratura fantascientifica come la
previsione di un rallentamento del tempo biologico per un astronauta che
viaggia ad una velocità prossima a quella della luce, si fondano su quella
semplice definizione di simultaneità a distanza.
Il piccolo Albert, cavalcando nel sogno un raggio luminoso aveva guardato il
mondo con gli occhi della luce e l’aveva visto chiaro e senza tempo.

   3. Convenzione       semantica      ed    osservazione      nella    relatività
      einsteniana

Einstein non ha scoperto il vero tempo, piuttosto,dopo aver constatato la
natura linguistica del concetto di tempo a distanza, ha esplicitato una
definizione operativa che da al concetto la forma di una grandezza fisica.
Questa definizione si articola in due passaggi: prima si definisce
arbitrariamente il concetto di simultaneità tra due eventi non-locali; dopo si
definisce, con l’ausilio delle leggi fisiche, un tempo relativo all’osservatore in
moto uniforme. La relatività del tempo si fonda sulla natura propriamente
convenzionale, linguistica, del concetto di simultaneità a distanza6. La vera
scoperta di Einstein è una scoperta sul linguaggio umano, sul carattere
irriducibilmente semantico della temporalità.
Vediamo la cosa più da vicino. Quando Einstein afferma che la definizione di
simultaneità è una convenzione liberamente scelta vuol dire che la
simultaneità a distanza non è osservabile in principio, non può essere
conosciuta attraverso l’esperienza. Essa non è un fatto fisico, una qualche
proprietà della natura, ma un nome come Dio o i numeri; possiamo liberamente
sceglierla proprio perché essa non ci dice nulla delle qualità del mondo,
piuttosto ci parla del modo linguistico di rappresentare il mondo, ci parla delle
proprietà del linguaggio.
Nella definizione di simultaneità suggerita da Einstein, la natura propriamente
linguistica del concetto risulta particolarmente evidente. La possibilità di
misurare la simultaneità a distanza con i raggi di luce, implica che la velocità
dei raggi sia misurabile e ovunque costante. Ma per misurare la velocità dei
raggi di luce, occorre conoscere la simultaneità a distanza.
Nell’analisi einsteniana il tempo di un evento a distanza si rivela un concetto
legato circolarmente al concetto di velocità del messaggio che informa
sull’evento. La simultaneità a distanza così come la velocità istantanea non
sono quindi conoscibili in linea di principio. Essi sono dei concetti che legano
altri concetti, dei concetti relazionali. Proprio perché in sé indefiniti, proprio
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perché non rappresentano dei fatti di natura, c’è un irriducibile elemento di
scelta nella loro definizione. In questo senso sono concetti originari, hanno la
loro origine in sé tessi, sono autoreferenziali7.
La teoria della relatività si costituisce quindi a partire dall’impossibilità di
principio di misurare la velocità della luce e sulla conseguente possibilità di
assegnarle un valore numerico arbitrario. Nella relatività la velocità della luce è
fissata per definizione. Variando la definizione variano gli eventi possibili a
distanza che però restano inosservabili; e per quanto riguarda i fenomeni locali
o osservabili tutto avviene come prima salvo la spiegazione cioè la relazione di
causalità tra i fenomeni osservati .
Vale la pena sottolineare che, secondo Einstein, questa definizione arbitraria
della velocità della luce è del tutto indifferente alla natura fisica della luce8. La
luce resta misteriosa nella relatività come nella fisica classica. La differenza sta
nella circostanza che la seconda s’illude di poterne misurare la velocità;
laddove la relatività fa dell’inconoscibilità della velocità della luce un principio
di conoscenza della natura. Insomma, nella fisica relativista, il mistero della
luce gioca lo stesso ruolo che il mistero dell’etere nella fisica prerelativistica. La
differenza sta nella circostanza che la relatività ammette il carattere
convenzionale, propriamente linguistico del concetto di velocità della luce ed
usa questo limite come l’occasione di una libertà, la libertà di darne
un’adeguata definizione. A ben guardare, la genialità di Einstein è in quel suo
riflettere sul linguaggio, sui limiti della conoscenza linguistica della natura.
Perché conoscere i limiti del linguaggio vuol dire possedere pienamente il
linguaggio, sapere ciò che si può e ciò che non si può dire sulla natura. I limiti
del linguaggio che la fisica adopera c’informano sul legame tra la coscienza
linguistica e la natura. Il tempo a distanza, il prima ed il dopo per gli eventi non
locali, non sono misure fisiche ma accordi convenzionali.
Einstein ha scoperto che la velocità della luce non è il risultato di una misura
ma una scelta che caratterizza il linguaggio che scegliamo per descrivere i
fenomeni luminosi. Dal momento che la luce è il messaggero più veloce, il
valore numerico della sua velocità non può essere determinato attraverso un
esperimento fisico. Esso è arbitrariamente fissato. Un’altra scelta del valore
della velocità della luce comporta un’altra definizione del tempo a distanza.
Tutti i valori della velocità della luce sono a priori compatibili con i risultati degli
esperimenti fisici perché la variazione della velocità della luce ha conseguenze
fisiche solo sugli eventi distanti, non locali ed un esperimento fisico ha sempre
luogo tra eventi locali.
La relatività definisce arbitrariamente il tempo a distanza a partire dal tempo
locale. L’esistenza di un tempo locale, cioè degli orologi, è un presupposto
fisico su cui la teoria non si interroga.
Nella fisica classica il tempo di un evento distante ha un valore unico,
indipendente dalla posizione e dalla velocità dell’osservatore. Ogni unità
temporale, ogni secondo corrisponde ad uno ed uno solo stato dell’universo.
Ora significa ora non solo qui ma dovunque nell’universo. La fisica classica, pur
senza porsi la questione di come misurare il tempo a distanza, si fonda sulla
certezza dell’esistenza di un solo tempo nell’universo, sicché c'è identità tra
tempo locale e tempo non-locale. Il fluire uniforme del tempo è una proprietà
universale del cosmo.
Nella fisica relativistica, il tempo a distanza che è simultaneo con il momento
presente di un osservatore dipende dalle velocità dell’osservatore. Così due
osservatori in moto relativo tra loro possono, in certe condizioni, datare due
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eventi in ordine invertito. Il “prima” e il “dopo” tra eventi distanti non è più una
relazione assoluta propria agli eventi, bensì una relazione tra gli eventi e il
moto dell’osservatore. Il tempo al quale accade un evento distante diviene un
concetto via via più indefinito al crescere della distanza, sicché il tempo a
distanza è intimamente associato alla distanza spaziale degli eventi.
Nella teoria della relatività non solo il tempo ma anche la distanza di un evento
non-locale muta al mutare del movimento dell’osservatore. Tuttavia il
cambiamento del tempo è legato al cambiamento della distanza spaziale in
modo tale che un’opportuna somma dei due cambiamenti ha un valore che è
assoluto, indipendente dal movimento dell’osservatore. Questa particolare
somma di distanze e di tempi è chiamata, nella fisica relativistica, posizione
dell’evento nello spazio-tempo. Questa rappresentazione spazio-temporale
degli eventi distanti è, a sua volta, all’origine dell’illusione secondo la quale il
tempo e lo spazio non sono che aspetti di una realtà naturale più complessa
costituita dalla loro opportuna unione: lo spazio-tempo.

   4. Il tempo questa illusione della coscienza

La teoria della relatività non ha niente da dire sul tempo locale, sugli orologi,
siano essi macchine o esseri viventi9. Il significato della parola tempo come
esperienza vissuta, come tempo locale, come giudizio sul “prima” e sul “dopo”,
non è l’oggetto della teoria ma un suo presupposto epistemologico. La teoria
presuppone che esista l’orologio e che il suo funzionamento sia localmente
perfetto. L’orologio fissa l’ordine temporale degli avvenimenti locali,
indipendentemente dalla percezione del “prima” e del “poi” da parte
dell’osservatore. L’orologio testimonia con la sua nuda esistenza che l’ordine
delle percezioni personali degli eventi è inaffidabile, non è un ordine comune.
Così la relazione temporale tra due fenomeni istituita dall’osservatore per via
acustica può essere diversa e perfino contraria di quella istituita per via oculare
dallo stesso osservatore. L’orologio quindi definisce un “prima” e un
“dopo”comune a tutti gli osservatori che lo impiegano. La teoria della relatività
non si occupa dello statuto epistemologico dell’orologio, non si interroga sulla
natura illusoria o non illusoria dell’ordine temporale definito, localmente,
dall’orologio. Essa si interroga solo sullo statuto epistemologico del tempo a
distanza, cioè sul giudizio del “prima” e del “dopo” di eventi distanti; e
conclude che, in questo caso, la relazione temporale è illusoria nel senso che il
significato del “prima” e del “dopo” non è autoevidente ma richiede una
definizione semantica senza alcuna corrispondenza empirica. Sicché datare un
evento distante è arbitrario quanto dare dei nomi alle stelle, o dividere il
mondo tra destra e sinistra. Il tempo a distanza è una convenzione semantica,
un comune significato attribuito per convenzione linguistica e solo per
convenzione linguistica, al “prima” e al “dopo”.
Così la relatività ci informa sui limiti della parola “tempo”, sulla natura
propriamente linguistica di questo concetto e, in conseguenza, sulla scelta
assolutamente libera che compiamo quando decidiamo di dare un significato
non-locale al “prima” ed al “dopo”. La relatività scopre che datare gli eventi
lontani è un artificio umano a cui non corrisponde alcuna qualità fisica degli
eventi stessi. Ed è proprio l’indifferenza della natura al tempo che permette
una molteplicità di convenzioni temporali che dona una pluralità di significati al
concetto di tempo.
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Insomma la relatività mostra che tutte le definizioni possibili di tempo a
distanza sono fisicamente equivalenti il che vuol dire, appunto, che il tempo ha
il suo fondamento nell’accordo umano e non nella natura.
Nei manuali universitari come nella letteratura di volgarizzazione, la teoria
della relatività è presentata come una teoria che riposa su fatti sperimentali, su
misure. La contrazione del tempo per esempio è considerata non un’ipotesi di
calcolo ma un fenomeno osservabile, qualche volta addirittura misurabile.
Questa interpretazione della relatività è erronea secondo l’opinione dello
stesso artefice della teoria, secondo Albert Einstein. Infatti una definizione non
è una misura. Una definizione non può essere provata o smentita
dall’esperienza perché essa non rappresenta alcun fenomeno osservabile,
bensì una relazione concettuale tra i fenomeni. In altri termini il tempo relativo
è una relazione tra i fenomeni elettromagnetici così come sono descritti dalla
teoria elettromagnetica di Maxwell-Lorentz. Sicché questa definizione è
adeguata per tutti e soli quei fenomeni previsti dall’unica teoria che
possediamo per costruire artificialmente fenomeni elettromagnetici, la teoria di
Maxwell-Lorentz. Così se contrariamente a quanto la relatività suppone
scoprissimo sulla Terra l’esistenza di messaggeri più veloci della luce, la
definizione di tempo relativo data attraverso il raggio luminoso non sarebbe
per questo “falsa”. Una definizione convenzionale non è né vera né falsa. Essa
è adeguata o inadeguata. La definizione del tempo relativo attraverso la luce è
adeguata ai fenomeni elettromagnetici, e questa adeguazione resta tale anche
se, per avventura, scoprissimo che ci sono segnali superluminosi nel cosmo per
i quali essa è logicamente inadeguata. Così la teoria della relatività come tutte
le teorie del tempo fisico, si sottrae all’esperienza nel senso che la definizione
del tempo è una precondizione dell’esperienza. In qualche modo la relatività ha
costruito un concetto di tempo adeguato ai fenomeni elettromagnetici e questo
concetto      sarà    sempre       adeguato    ai    fenomeni     elettromagnetici
indipendentemente dalle future scoperte, perché il tempo relativo è la scelta
dell’onda elettromagnetica come orologio, e questa scelta è sempre possibile,
anche quando per avventura, si scoprisse un messaggero più veloce della luce.
D’altro canto il tempo relativo di Einstein non è più vero che il tempo assoluto
di Newton. La luce non batte meglio il tempo che il pendolo: si tratta solo di
due orologi diversi che definiscono quindi tempi diversi.
Insomma: la rivoluzione relativistica, cioè la modificazione del concetto di
tempo non consiste tanto nella definizione del tempo attraverso la luce, quanto
nella scoperta linguistica che il tempo può essere arbitrariamente definito.
Einstein ci ha liberati dal feticismo del tempo, cioè ci ha restituito la libertà di
formare il concetto di tempo, d’inventare altri orologi o anche di dimenticare gli
orologi e il tempo.
A guisa di conclusione, ci piace citare, a conforto della nostra tesi, le parole con
cui il vecchio Albert chiude una lettera di condoglianze in occasione della morte
di un amico, il fisico Michele Besso. Scrive Einstein: “Michele ha lasciato prima
di me questo mondo misterioso. Ma ciò è senza alcuna importanza. Per noi che
crediamo nella fisica, la distinzione tra passato, presente e futuro è solo
un’illusione della coscienza, anche se tenace.”10.

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Note.

  1. A. Einstein, “Autobiographical Notes” in Albert Einstein: Philosopher-
     Scientist v.7, The Library of Living Philosophers, ed. Paul Schilp,
     Evaston,1949, p.81.

  2. Bisogna distinguere tra velocità media della luce in un viaggio di andata
     e ritorno del raggio luminoso, e velocità della luce lungo una direzione.
     La prima velocità è una misura empirica, un’ipotesi fattuale. La costanza
     della velocità media della luce è stabilita tramite misure. Essa è
     osservabile, il suo valore è circa trecentomila chilometri al secondo. Al
     contrario la velocità della luce lungo una direzione non è una grandezza
     misurabile, il suo valore è indefinito. Sicché l’uguaglianza tra velocità e
     velocità media è una definizione e non una proprietà della luce: una
     definizione senza alcun fondamento empirico.

  3. Bernard Maitte, “La Lumière”, Seuil, 1991, pp.273-298.
     Una ricostruzione tecnicamente rigorosa di questa discussione
     appassionata si trova in “The Voices of Time”, ed. J.J.Fraser, The
     University of Mass. Press Amherst, 1981, pp. 417-472.
     Il dibattito sulla natura della luce è molto antico, risale alla fisica ionica.
     Nell’epoca moderna si è cristallizzato nell’alternativa tra la teoria
     corpuscolare di Newton – la luce in grani – e la teoria vibratoria di
     Huygens – la luce come onda che attraversa l’etere. Per etere luminoso
     s’intende una sostanza fisica che è dappertutto nell’Universo anche la
     dove non c'è apparentemente niente. L’etere si presenta come un
     riferimento naturale per i movimenti di tutti i corpi dell’universo, ivi
     compreso il nostro pianeta, la Terra.
     Le due teorie della luce hanno rivaleggiato tra loro per più di un secolo
     fino a che un esperimento cruciale realizzato da Fizeau nel 1349 esclude
     la teoria corpuscolare dalla comunità scientifica. L’esperimento di Fizeau
     mostra che la velocità della luce è inversamente proporzionale all’indice
     di rifrazione del mezzo attraversato, secondo le previsioni della teoria
     vibratoria e contro l’autorità di Newton.
     All’inizio del secolo trascorso Thomas Young, assertore convinto della
     teoria ondulatoria, sollevò la questione della velocità relativa della Terra
     rispetto all’etere luminoso. Nel 1818, a Parigi, Arago progetta una misura
     della velocità della Terra rispetto all’etere tramite una misura ottica, una
     misura di rifrazione della luce. Infatti secondo la teoria, l’indice di
     rifrazione di un mezzo dipende dalla velocità della luce nel mezzo; sicché
     un confronto tra la rifrazione della luce stellare quando la Terra viaggia
     verso la stella e la rifrazione quando la Terra si allontana dalla stella
     permette di risalire alla velocità della Terra rispetto all’etere. Il risultato
     dell’esperimento fu negativo: la rifrazione è la stessa nei due casi.
     Augustin Fresnel, un altro partigiano della teoria ondulatoria della luce,
     elaborò una nuova teoria dell’etere capace di spiegare il risultato
     negativo dell’esperimento d’Arago. Fresnel suppone che la capacità di
     rifrazione di un corpo dipende dalla concentrazione d’etere presente nel
     corpo. Egli postula inoltre il “vento d’etere”: un corpo che si muove
     nell’etere trascina con sé una parte dell’etere che lo circonda.

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Questi due postulati trattati secondo la matematica ondulatoria,
   permettono a Fresnel di calcolare una formula per cui gli effetti del primo
   ordine (nel rapporto tra velocità del corpo e velocità della luce rispetto
   all’etere) si annullano vicendevolmente. Il vento d’etere, per Fresnel,
   esiste ma i suoi effetti sono tali almeno al primo ordine di grandezza da
   nasconderne la presenza. Il risultato negativo di Arago è quindi spiegato.
   La teoria dell’etere di Fresnel ha l’andamento claudicante di tutte le
   ipotesi ad hoc: essa spiega l’impossibilità di osservare gli effetti di una
   causa di cui si postula la presenza.
   Nel 1845 sir G.G. Stokes propose una modificazione del postulato del
   vento d’etere di Fresnel che comporta effetti del secondo ordine diversi
   da quelli previsti dalla formula di Fresnel.
   Dal 1871 al 1887 Michelson, un fisico nordamericano, il primo dopo
   Franklin, costruisce una serie di apparecchi chiamati interferometri tali da
   permettere l’osservazione di variazioni del secondo ordine nel rapporto
   tra velocità orbitale della Terra e velocità siderale della luce. Michelson
   intende realizzare gli esperimenti proprio per decidere tra le due teorie
   dell’etere rivali, quella di Fresnel e quella di Stokes. Nel corso di sedici
   anni Michelson migliora la precisione dei suoi interferometri, fino a
   costruire, insieme al suo compatriota Morley, nel 1884 uno strumento che
   è un capolavoro della tecnica ottica.
   Tutte le misure di Michelson, solo o con Morley, danno esito negativo:
   non vi sono effetti del secondo ordine: non v’è alcuna variazione
   apparente della velocità della luce stellare quando la Terra s’avvicina o
   s’allontana dalla stella.
   Particolare patetico: Michelson credeva all’etere di Stokes.

4. La discussione è molto vivace; le interpretazioni dell’esperienza si
   moltiplicano. Michelson immagina che tutto l’etere sia trascinato dalla
   Terra. Altri suggerisce l’immobilità della Terra nell’etere. Tre sono
   tuttavia le interpretazioni che all’inizio del nostro secolo polarizzano il
   dibattito: la teoria della contrazione di Lorentz, la teoria della relatività di
   Einstein e la teoria di Ritz.
   Lorentz spiega il risultato negativo di Michelson con la contrazione delle
   distanze nel senso del movimento. Lorentz elabora un’ipotesi ad hoc,
   analoga a quella suggerita da Fresnel per spiegare un altro risultato
   negativo, l’esperimento di Arago. Tanto Lorentz che Fresnel messi di
   fronte alle contraddizioni tra previsioni e misure, scelgono le previsioni
   cioè la teoria e affermano che sono gli strumenti che sbagliano. Infatti,
   l’ipotesi di Lorentz di una generale contrazione delle distanze se spiega
   l’esperimento di Michelson implica tuttavia che questa contrazione pur
   rigorosamente calcolata non è osservabile dal momento che anche gli
   strumenti di misura si contraggono nella stessa proporzione; e questo
   equivale ad affermare l’esistenza dell’etere attraverso l’impossibilità di
   osservarlo. Insomma, per Lorentz, l’etere c'è e la prova sta nel fatto che
   si nasconde.
   Oltre la relatività einsteniana, una terza interpretazione delle misura di
   Michelson domina il dibattito. È il postulato della costanza della velocità
   della luce non già rispetto all’etere ma rispetto all’ultima sorgente che
   l’ha emessa. Si tratta del postulato di Ritz, detto anche ipotesi balistica
   sulla natura della luce. Secondo Ritz infatti la luce partecipa della velocità
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della sorgente che la emette così come fa un proiettile con il moto della
   pistola che lo spara. Il postulato di Ritz permette una spiegazione
   particolarmente semplice e intuitiva dell’esperimento di Michelson. Esso
   tuttavia comporta il rifiuto della teoria elettromagnetica di Maxwell-
   Lorentz; in questa teoria infatti è necessario che la velocità della luce
   dipenda solo dallo stato dell’etere e non dal movimento della sorgente. Il
   postulato di Ritz apre quindi la delicata questione di una teoria
   elettromagnetica diversa dalla teoria corrente. Alla costruzione di una
   simile teoria lavorava Ritz quando una morte, forse opportuna, lo
   sorprese.

5. L'articolo originale fu pubblicato il 30 giugno del 1905, l’anno della prima
   rivoluzione russa, nella rivista tedesca Annalen der Physic, v.17. la
   traduzione inglese si può leggere in “The Principle of relativity”, Donver
   Pub., New York, p.40.
   Il primo paragrafo di questo articolo porta il titolo significativo: Definition
   of Simultaneity. Esso inizia con la questione preliminare, quella di
   sincronizzare tutti gli orologi fermi rispetto all’osservatore e sparsi un po’
   dovunque nel sistema di riferimento. Questo problema deve essere
   risolto prima di trattare gli effetti propriamente relativistici, gli effetti cioè
   che si verificano in conseguenza del moto relativo di due o più
   osservatori tutti attrezzati con copie identiche dello stesso orologio.
   Il metodo di sincronizzazione proposto da Einstein è il seguente: dati due
   orologi collocati in due luoghi A e B tra di loro assai distanti “we establish
   by definition that the time requires to travel from B to A.” particolare
   rivelatore del testo originale l’espressione “by definition” è in italico.
   Ora se un raggio luminoso emesso da A verso B viene riflesso da uno
   specchio in B verso A, l’orologio in a può misurare la durata totale del
   viaggio d’andata e ritorno del raggio luminoso. Posto T1 il tempo al quale
   il raggio parte da A e t2 il tempo al quale ritorna in A allora, continua
   Einstein, “in agreement with experience we further assume the quantity:
   2AB/t2-t1=C to be a universal constant – the velocità of light in empty
   space.”
   Così, nel primo paragrafo dell’articolo del 1905 Einstein annuncia non
   uno ma due principi. Il secondo principio è un’ipotesi fattuale. Se
   confermato dall’esperienza, descrive un fatto di natura e cioè che la
   velocità media della luce è costante lungo un tragitto di andata e ritorno.
   Si tratta di un principio empirico che può essere verificato o falsificato
   attraverso la misura. È possibile infatti misurare la velocità media della
   luce. Il primo principio al contrario non è un’ipotesi empirica ma una
   definizione. In alcun modo esso rappresenta un fatto di natura, un
   comportamento della luce perché la velocità della luce lungo una
   direzione non è misurabile in principio, essa come fatto di natura non
   esiste.
   In molte presentazioni anche universitarie della teoria della relatività i
   due principi sono fusi insieme sotto il nome di “principio della costanza
   della velocità della luce”. È infatti evidente che i due principi insieme
   implicano che la velocità della luce lungo una direzione sia una costante
   di valore c.
   I due principi hanno tuttavia uno statuto epistemologico diverso. Il primo
   è una convenzione linguistica, il secondo un fatto. Questa diversità, pur
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così importante, scompare quando i due principi sono fusi nell’enunciato
  della costanza della velocità della luce.

6. In una lezione data nel 1921 a Princeton Einstein diceva: “The theory of
   relativity is often criticized for giving, without justification, a central
   theoretical role to the propagation of light, in that it founds the concept
   of time upon the law of propagation of light. The situation, however, is
   somewhat as follows. In order to give physical significance to the concept
   of time processes of some kind are required which enable relations to be
   established between different places. It is immaterial what kind of
   processes one chooses for such a definition of time. It is advantageous
   however for the theory, to choose only those processes concerning which
   we know something certain. This holds for the propagation of light in
   vacuo in a higher degree than for any other process which could be
   considered, thanks to the investigations of Maxwell and H.A.Lorentz” in
   The Meaning of Relativity, Donver, New York, 1955, p.28.

7. Stabilire la simultaneità tra eventi distanti equivale a sincronizzare due
   orologi distanti, dal momento che due orologi sono sincronizzati quando
   segnano simultaneamente lo stesso tempo. Cfr. H. Reichenbach,
   Philosophy of Space and Time, Denver Pub., 1957, New York, pp.125-127.

8. Cfr. A. Einstein, La theorie de la relativité restreinte et générale, trade
   par M. Solovine, Gauthiers-Villars Editeur, Paris, 1971, pp. 24-27.

9. Einstein ritiene che per misurare il tempo dobbiamo scegliere un qualche
   movimento empirico (la rotazione della Terra, la propagazione della luce,
   ecc.) proprio perché una costruzione teorica dell’orologio è impossibile.
   Cfr. A. Einstein, Sidelines on Relativity, Methuen, London, 1923, p.36.

10. Cfr. Correspondance Albert Einstein-Michele Besso, 1903-1955, Hermann,
    Paris, 1972.
    A proposito dell’opinione che Einstein nutriva sul tempo vedi anche il
    commento di Einstein al saggio di Kurt Godel sull’interpretazione
    parmenidea dello spazio-tempo relativistico. Cfr. K.Godel, “A Remark,
    about Relationship between Relativity Theory and Idealistic Philosophy”
    in Albert Einstein, Philosopher-Scientist, op. cit. p.557: A.Einstein
    “Remarks Concerning the essays Brought Together in this Cooperative
    Volume”, in op. cit. p.687.

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