Principio di relatività galileiana

Argomento della dinamica è lo studio della cause del moto. E' chiaro che quando si fa riferimento a problematiche legate ai perché i punti di vista possono essere molto vari. Esiste un perchè fisico, un perchè filosofico, un perchè teologico, e così via. Se mi chiedo perchè una pallina cade per terra posso rispondere dicendo "a causa della forza di gravità" ma anche dicendo "perchè l'ho lasciata cadere" o anche "perchè ero arrabbiato e l'ho lasciata cadere" o anche "perchè il Creatore del mondo ha disposto che gli oggetti lasciati cadere vadano a terra". Queste risposte, che possono essere ritenute più o meno giuste e più o meno complete secondo diverse persone e concezioni, si trovano su piani almeno in parte differenti. E' chiaro quindi che d'ora in poi ci occuperemo delle cause del moto da un punto di vista meramente "materiale" o meglio "quantitativo" ovvero legato alla fisica e al suo metodo fondamentale che è il "metodo scientifico". Rispondere a questi perchè può influenzare la risposta anche ad altri tipi di perchè ma il passaggio è tutt'altro che semplice e giustificabile. Questo non vuol dire che non sia però interessante capire ad esempio come dalla fisica possano nascere riflessioni "non fisiche" ma di più ampia portata. Occorrerà però sempre, per quanto possibile, aver chiaro il confine tra la fisica e la non fisica, per aver chiaro le "garanzie" specifiche di quanto si afferma.

Prima di iniziare frontalmente il discorso sulle cause del moto, iniziamo con un esempio di vita quotidiana. Se ci si trova su un treno che sta partendo lentamente può capitare di vedere il treno che ci sta accanto e di non riuscire a rendersi conto se il treno movimento è quello in cui stiamo o se è quello che ci sta accanto. A volte, dopo alcuni secondi, una sensazione di sorpresa può coglierci quando capiamo, ad esempio, di essere fermi mentre avevamo l'impressione di esserci mossi. Questo semplice esempio ci permette di introdurre un concetto fisico di importanza capitale: la relatività del moto. Siamo abituati a pensare che essere fermi o essere in movimento siano due condizioni completamente diverse e, in un certo senso, è senz'altro vero. Tuttavia da un punto di vista fisico questa differenza assume dei contorni decisamente più sfumati. Prendiamo come altro esempio quello dell'aereo. Quando, dopo il decollo, stiamo volando a gran velocità (circa 1000 km/h) ci accorgiamo di questo da qualcosa di strano che accade dentro l'aereo? Senza dubbio ci accorgiamo di essere in volo vedendo scorrere la terra che ci sta sotto, oppure da altri fattori come i rumori dei motori o dai momenti di più forte turbolenza incontrati in aria che fanno vibrare maggiormente il veivolo. Se però immaginiamo di essere un aereo senza finestrini e perfettamente silenzioso, abbiamo un modo per capire che ci stiamo muovendo semplicemente facendo un piccolo esperimento dall'interno? Ciò che accade agli oggetti dentro l'aereo segue un comportamento diverso da ciò che accade normalmente quando stiamo dentro una stanza? Pensiamo ad esempio ad una pallina che tiriamo verso l'alto: normalmente siamo abituati a pensare che debba ricadere nella nostra mano. E' cosi' anche se siamo in volo? Oppure la pallina ricade all'indietro mentre l'aereo procede avanti? E' facile convincersi che la pallina debba in ogni caso ricadere nella mano che l'ha lanciata. Se così non fosse, potremmo pensare che la pallina debba andare ad una velocità pari a quella dell'aereo ma all'indietro, ma questo è chiaramente inverosimile, significherebbe dire che la pallina schizza all'indietro con una velocità di 1000 km/h! In effetti, da dentro un aereo (o da un qualunque mezzo) in moto a velocità costante non abbiamo alcun modo -- se non ci confrontiamo con l'ambiente circostante -- di distinguere se siamo in moto o se siamo fermi perchè qualunque esperimento possiamo concepire mostrerà gli stessi risultati sia se siamo fermi che se siamo in moto a velocità costante. Quanto detto si può esprimere in modo fisicamente corretto nel cosiddetto "principio di relatività galileiana" che afferma che:

Le leggi fisiche valgono allo stesso modo in tutti i sistemi di riferimento che viaggiano a velocità costante rispetto ad un certo sistema di riferimento dato.

Affermare, infatti, che qualunque esperimento sulla terra ferma o a bordo di un aereo in volo daranno gli stessi risultati significa dire che le leggi fisiche che li guidano sono le stesse. Diverso chiaramente il caso di un automobile in moto ma con un finestrino aperto. E' facile in questo caso rendersi conto se la macchina è in moto oppure no non semplicemente perchè si guarda fuori ma perchè l'aria che è sempre ferma ci segnala se ci stiamo muovendo rispetto ad essa oppure no. Perchè infatti i fenomeni fisici siano identici è necessario che tutti gli oggetti si muovano a velocità costante, in questo modo essendo le leggi fisiche uguali per il principio di relatività, il risultato finale sarà uguale. Quanto affermato può sembrare in un certo senso contrario all'intuizione comune secondo la quale muoversi o essere fermi è completamente diverso ma il punto della questione è che noi siamo abituati a muoverci rispetto a qualcun altro mentre è più rara la situazione in cui ci muoviamo insieme a tutto ciò che ci circonda. Esiste però un caso estremamente banale che mostra come il principio di relatività sia in realtà qualcosa di consolidato nell'intuizione comune. E' il caso del pianeta Terra in cui viviamo e che è tutt'altro che fermo: è invece una navicella spaziale che viaggia all'incredibile velocità di 107000 km/h circa attorno al sole! Eppure noi ci sentiamo fermi stando sopra di essa e senza prove e intuizioni particolari non abbiamo modo di sapere che siamo in viaggio e così a forte velocità. Il motivo è da ricercarsi sempre nel principio di relatività galileiana: poiché la terra viaggia portando dietro di sè l'aria che ne riempie l'atmosfera non possiamo distinguere se essa si stia muovendo o se sta ferma. In effetti ci sarebbe fa precisare che il moto della terra non è a velocità costante come richiesto dal principio di relatività, e infatti alcuni esperimenti possono farci rendere conto che la terra ruota in quanto questo tipo di moto non è soggetto al principio di relatività e può essere invece rilevato. Il sole stesso si muove attorno al centro della nostra galassia e così via... La questione su chi tra terra e sole stia fermo ha avuto una storia tanto celebre quanto complessa che vede proprio in Galileo il personaggio comunemente più noto. Senza entrare nelle vicende storiche e in tutte le loro intricate dinamiche, vale forse la pena di ricordare la frase di Bellarmino che non appaiono attualmente così fuori luogo: "Dico che mi pare che il signor Galilei faccia prudentemente a contentarsi di parlare ex suppositione e non assolutamente, così come io ho sempre creduto che abbia parlato Copernico. Perchè il dire, che supposto che la Terra si muova, et il Sole stia fermo si salvano tutte le apparenze meglio che non porre gli eccentrici agli epicicli è benissimo detto e non ha pericolo nessuno; e questo basta al matematico". Il principio di relatività galileiana postulando l'invarianza delle leggi fisiche al cambio di sistema di riferimento con velocità costante afferma di fatto l'equivalenza, secondo la fisica, di due sistemi che siano diversi soltanto come valore di velocità uniforme. Estendendo le idee si può dire addirittura che non è interesse della fisica stabilire chi sia fermo e chi sia in moto se non per questioni di comodità descrittive: la fisica comprende che quando si parla di moti si parla di moti relativi e, una volta scelta il riferimento, si occupa di descriverne i fenomeni e trovarne le leggi. Come osservazione conclusiva ricordiamo però che tutto quanto detto in questo paragrafo fa parte di un modello fisico da cui poi si deriva la cosiddetta "meccanica classica" che studieremo in questo paragrafo. Non si tratta di "verità assolute", che la fisica in un certo senso non può essere in grado di dare, quanto di modelli fisici che più o meno corrispondono alla realtà osservata.