Einsteinuncentenariroelativo I Fabio Bevi/acqua e Roberto Catenacci . AA.VV. Generai Relativity. An Einstein Centeruuy Survey Edited by Steven Hawking and Werner lsrael. Cambridge, Cambridge University Press, 1979 AA. VV. Centenario di Einstein 1879-1979. Astrofisica e Cosmologia, Gravitazione Quanti e Relatività a cura di Mario Pantaleo Firenze, Giunti e Barbera, 1979 Gerald Holton Thematic Origins of Scieotific Thought Cambridge (Massachusetts), Harvard University Press, 1973 Gerald Holton The Scieotific lmagination Cambridge, Cambridge University Press, 1979 L e commemorazioni einsteiniane dello scorso anno si possono dividere io due gruppi: quelle propriamente «scientifiche», riservate agli addetti ai lavori, e quelle invece di carattere «divulgativo». La distiozio- [le è meno banale di quel che sembra perché la distanza tra le due impostazioni è enorme, non riducibile all'ovvia diversità di taglio, e implica una profonda e radicale differenza di valutazione sul ruolo, sui contenuti e sui metodi dell'impresa scientifica. Da una parte vi è il dibattito scientifico d'avanguardia sulla fisica della gravitazione (una delle tre «interazioni fondamentali> dopo la recente unificazione delle forze elettromagnetiche e deboli) e sul ruolo svolto dalle teorie di Einstein; dall'altra la glorificazione di una teoria scientifica sulla quale si è ormai raggiunto un vasto consenso (la relatività generale) e Io slittamento del ruolo di un grande - ma non infallibile- scienziato a quello di ispirato e profetico rivelatore di «essenziali» verità. La prima impostazione lascia trasparire io tutta la loro affascinante ricchezza e complessità i tentativi di articolare inter.;oggettivamente ed io maniera raffinatamente quantitativa idee metafisiche di fondo, di elaborare e realizzare ardite corroborazioni sperimentali, di confrontare programmi di ricerca differenti e talvolta «incommensurabili> in alcuni dei loro aspetti, di proporre modelli esplicativi sempre più originali e apparentemente lontani dal comune buon senso. In tale impostazione sono ben vive le relazioni dell'impresa scientifica con gli altri aspetti della attività umana talvolta ritenuti esterni ad essa: filosofici (le metafisiche di fondo dei vari programmi di ricerca); economici (gli ingenti finanziamenti necessari alla sopravvivenza della big science); tecnologici (le tecniche strumentali •che hanno permesso una ripresa del dibattito sulla relatività generale); politici (le scelte sui finanziamenti e la divisione internazionale della ricerca) e, perché no, religiosi (influenza delle credenze religiose degli scienziati sulla scelta dei modelli) e psicologici (storia per.;onale de-Isingolo scienziato e sua creatività). Tutti questi nessi sono, come è ovvio, di difficile e non univoca interpretazione; costituiscono essi stessi un ambito di fenomeni da studiare attraverso adatti modelli esplicativi e una opportuna scelta delle variabili che deve evitare di precostituire implicitamente le risposte. La complessità del dibattito scientifico rimanda dunque alla complessità del dibattito metodologico; il problema è arduo ma le difficoltà vanno affrontate e, possibilmente, risolte. Come scrisse Einstein io più di una occasione, la difficoltà è alla radice delle cose e non dobbiamo evitare di presentarla, altrimenti non faremmo opera di chiarificazione ma semplicemente di imbroglio. D ov'è esattamente l'imbroglio delle celebrazioni divulgative? In primo luogo si tace che le conoscenze scientifiche divulgate sono, in quanto background accettato, molto datate; secondo, e più grave, l'immagine offerta dell'impresa scientifica e del suo sviluppo è completamente inadeguata. Infatti quel che emerge è solo l'ultima (o meglio la penultima) teoria in voga, per di più presentata come verità certa; la storia della scienza viene cosi riscritta in termini di progressiva e lineare accumulazione di conoscenze verso questa «verità», trascurando ogni alternativa, sia quelle concettualmente praticabili sia quelle storicamente praticate. La «ragionevolezza scientifica» viene elevata a dogma, la scienza trasformata in religione e la ricerca diventa attività esoterica. Il non addetto ai lavori perde quindi qualunque possibilità di acquisizione metodologica e di contenuto. Interventi sulla stampa non specializzata e trasmissioni televisive diinostrano abbondantemente che non è in realtà possibile scindere del tutto i contenuti dall'analisi metodologica senza ritrovarsi, prima o poi, a eunci ttrotn» considerazioni del tipo: nello sviluppo della scienza si riscontrano elementi di permanenza e elementi di innovazione; o a divulgare «spiegazioni» come: la teoria della unificazione delle interazioni elettromagnetiche e deboli è come il caffelatte, miscela non più separabile di caffè e di latte. li che ovviamente non aiuta il non addetto a capirla più di quanto non aiuti un fisico teorico a capire cosa sia un cappuccino. Ci pare dunque utile un'analisi di qualche contributo a commemorazioni einsteiniane di carattere scientifico, insieme con alcune recenti acquisizioni storiografiche e epistemologiche sulla storia della teoria della relatività. È questo probabilmente uno dei pochi modi per stabilire un ponte tra le due culture, problema vecchio ma sempre attuale per chi non accetti una netta scissione tra «retorica» e «logica». I due volumi scientifici di cui ci occupiamo sono, per certi aspetti, abliastanza differenti: il primo, Generai Relativity. An Einstein Centenary Survey (E. C.) è curato dall'establishment scientifico anglosassone, mentre il secondo, Centenario di Einstein 18791979. Astrofisica e Cosmologia, Gravitazione Quanti e Relatività (C. E.) è leggermente più «accademico» (vorremmo dire «italiano»), punta più ai «nomi» che ai contenuti e presenta notevoli differenze di livello tra articolo e articolo ma dà in compenso largo spazio anche a posizioni eterodosse. Ambedue rappresentano un'occasione preziosa per avere una visione d'assieme dello stato attuale della ricerca nella fisica della gravitazione. Si è discusso molto in questi ultimi anni sul come caratterizzare le teorie scientifiche; schematizzando, il dibattito si è polarizzato attorno a due posizioni principali, un filone «logico» e uno «storico». Nel primo si tende a sottolineare l'aspetto formale ed empirico delle teorie e la loro commensurabilità; nel secondo il ruolo della metafisica, l'impossibilità della verifica e della falsificazione e.la conseguente difficoltà di confrontare differenti basi concettuali. In questa nostra breve rassegna adotteremo una posizione mediana, distinguendo convenzionalmente quattro elementi di fondo in una teoria scientifica e considerando le loro interazioni negli sviluppi della teoria stessa. I quattro elementi sono: la base concettuale «metafisica> adottata (ad esempio campi o particelle, onde o corpuscoli, concezione continua o discreta, azione a contatto o a distanza ecc); le idee regolatrici o tematiche di fondo (i principi di conservazione, le idee di simmetria, analogia e semplicità, spiegazione meccanicistica o teleologica); le strutture matematiche utilizzate e, infine, la base sperimentale. Questa posizione permette di analizzare gli sviluppi delle teorie attraverso un'ottica più fine che non la semplice dicotomia conservazione/rivoluzione. Per quanto riguarda la relatività generale di Einstein del 1916, il nucleo concettuale metafisico è rappresentato dal concetto di campo continuo, cioè di azione a contatto rigorosamente deterministica, dalla netta separazione tra osservatore e fenomeno osservato, dalla possibilità di una descrizione oggettiva del moto di un corpo puntiforme come successione continua - traiettoria - di eventi spazio-temporali. Le tematiche utilizzate sono fondamentalmente quattro: il principio di equivalenza, basato sulla ben nota (dal punto di vista sperimentale ma non interpretata teoricamente prima di Einstein) uguaglianza tra la massa inerziale di un corpo (una misura della resistenza che ogni corpo oppone alla variazione del suo stato di moto) e la sua massa gravitazionale (una misura della capacità di un corpo di esercitare azioni gravitazionali); il principio di relatività esteso ai sistemi di riferimento non inerziali (la teoria della relatività speciale del 1905 è invece limitata ai sistemi inerziali); il principio di Mach, secondo cui l'inerzia non è una caratteristica intrinseca dei corpi ma il risultato di un'interazione con tutte le altre masse presenti nell'universo; il principio di covarianza generale, che si riconnette al principio di relativitll e si traduce in un forte vincolo di carattere matematico nella scelta della formulazione più semplice delle equazioni di campo. La struttura matematica utilizzata da Einstein fu la geometria differenziale che, sebbene fosse allora agli albori (vedi la scuola matematica palermitana di Ricci e Levi-Civita), gli permise di articolare quantitativamente il legame tra geometria dello spaziotempo e materia suggerito dalle tematiche adottate. Secondo Einstein il campo gravitazionale è una modificazione dello spazio nel senso che la geometria non è più quella euclidea della meccanica di Newton. La parte empirica della teoria consiste nella anomalia (rispetto alle leggi di Keplero) del moto del perielio del pianeta Mercurio, nelle previsioni di una deflessione dei raggi luminosi in vicinanza di grandi masse- ad esempio il sole - e di uno spostamento verso il rosso (cioè verso le basse frequenze) delle righe spettrali degli atomi dovuto a effetti gravitazionali. Per parecchi anni il valore di questi esperimenti fu fortemente in dubbio: la precisione delle misure era di gran lunga inferiore a quella ottenuta in esperienze su altre teorie. Per molto tempo il fascino e il successo della relatività restarono affidati agli altri elementi: la bellezza della base concettuale e l'eleganza del formalismo matematico. A partire dal 1960 circa, la possibilità tecnologica di eseguire esperimenti molto precisi sulla fisica della gravitazione ha stimolato ricerche che, muovendo dai principi fondamentali e dai metodi matematici della teoria della relatività, hanno portato allo sviluppo di numerose teorie alternative che si possono distinguere in «metriche» e «non metriche» (cfr. C. Will in E. C. e B. Bertotti in C.E.). Nelle prime il modello matematico con cui si tratta la gravitazione è la geometria, cioè il moio dei corpi è determinato dalle proprietà geometriche dello spazio e del tempo. Spetta ad ogni particolare teoria specificare la correlazione (equazioni di campo) tra le proprietà geometriche e il contenuto di materia e energia nello spazio considerato. Solo le teorie metriche possono, allo stato attuale delle possibilità tecnologiche, essere sottoposte a indagini di carattere sperimentale. Queste consistono nella misura di effetti simili a quelli descritti per la relatività generale, che rimane a tutt'oggi, tra le varie teorie metriche corroborate·dall 'esperienza, la più «naturale», nel senso che è basata sul minor numero di ipotesi fisiche e matematiche sulla natura della correlazione materia-geometria. È da notare che la precisione delle tre esperienze classiche (perielio, redshift e deflessione) si è notevolmente accresciuta e nuove corroborazioni sperimentali si sono aggiunte. Appartengono al gruppo delle teorie metriche anche le cosiddette teorie «a geometria prefissata», in cui una parte delle proprietà geometriche è data a priori cioè in maniera indipendente dalla distribuzione di materia; viene cosi a cadere una delle tematiche della relatività generale, quella connessa con il principio di Mach, che invece caratterizza una serie di teorie non metriche (cfr. Bertotti, Bondi e Narlikar in C.E.) le quali cercano di esprimere le leggi della fisica in termini di quantità relative (tempi, distanze e velocità considerati dipendenti dai rapporti tra corpi e non riferiti a sistemi di riferimento prefissati). Tali teorie si propongono di mettere ifJevidenza limitazioni e anomalie del paradigma metrico sopra descritto, ritenendo. che l'idea del carattere «assoluto» dello spazio-tempo come «arena» su cui si svolgono tutti i fenomeni sia una semplificazione di una struttura matematica più articolata in cui i fenomeni locali e quelli cosmologici sono inscindibilmente correlati. La conservazione delle tematiche machiane implica l'abbandono di un elemento fondamentale del nucleo metafisico einsteniano: il concetto di campo continuo; l'azione a contatto viene qui sostituita dalla azione a distanza. Le teorie machiane non hanno ancora raggiunto un livello tale di articolazione da poter prevedere effetti fisici eventualmente misurabili. L e teorie fin qui descritte si basano tutte su una concezione continua della realtà, non facendo intervenire concetti «quantistici». Ma la quantizzazione del campo gravitazionale (passaggio dal continuo al discreto e da una descrizione deterministica ad una probabilistica in accordo col paradigma della meccanica quantistica) è oggi il problema maggiormente dibattuto e, stante l'identificazione attuata dalla relatività tra gravitazione e geometria elio spazio-tempo, suscita notevoli interrogativi: come conciliare i concetti continui di spazio e di tempo con una descrizione discreta e probabilistica? Fra i vari approcci tentati, nessuno si è finora imposto (cfr. Treder in C.E. e de Witt, Hawking e Weinberg in E.C.): siamo cioè in una fase preparadigmatica. È importante sottolineare che tutte queste ricerche non nascono sotto la spinta di fatti empirici o dati sperimentali nuovi, ma da esigenze teoriche e dal desiderio di non lasciare separate I due più importanti teorie fisiche, meccanica quantistica e relatività. Il primo approccio che consideriamo nasce dai grandi successi ottenuti dall'elettrodinamica quantistica, sorta tra il '30 e il '40 come versione quantizzata della teoria di Maxwell del campo elettromagnetico continuo. Come Einstein diede una teoria gravitazionale in analogia a quella elettromagnetica di Maxwell, cosi la Quantum Gravity cerca di quantizzare il campo gravitazionale in analogia alla quantizzazione fatta dall'elettrodinamica quantistica del campo maxwelliano. In questa linea di ricerca si rinnega sostanzialmente la geometrizzazione del campo gravitazionale, che è assimilato a tutti gli altri campi quantizzati e trattato col formalismo convenzionale della «seconda quantizzazione»; la forza gravitazionale viene attribuita allo scambio di particelle, dette gravitoni, e tutta la problematica relativa al principio di Mach, al princi-
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