Nella teoria della relatività di Einstein spazio e tempo formano un unico tessuto spaziotemporale. Ecco come pensare a un universo in quattro dimensioni.
Nella teoria della relatività di Einstein i concetti di spazio e tempo sono intrecciati in un tessuto coesistente. È ciò che i fisici e gli studiosi dell’universo chiamano spaziotempo. Facciamo subito un esempio pratico. Prendi quattro penne dalla tua scrivania. Inizia con due e fai una croce, in modo che siano perpendicolari l’una all’altra. Ora aggiungi una terza penna e posizionala in modo che sia perpendicolare alle prime due. Per fare questo non si possono più lasciare le matite appoggiate sulla scrivania, che è una superficie bidimensionale. Devi tenere il tutto per aria, dato che il mondo a cui siamo abituati è tridimensionale. Adesso prendi la quarta penna e falla passare attraverso le altre tre penne in modo che sia perfettamente perpendicolare a tutte. Non puoi.
Come sperimentare il concetto di quarta dimensione
Non puoi perché ci sono solo tre dimensioni spaziali. E oltre a ciò, non si può nemmeno pensare ad una quarta dimensione spaziale, perché il nostro cervello si è evoluto in un mondo tridimensionale. Ma potete sperimentarla. D’altronde il flusso del tempo dal passato al futuro costituisce una dimensione propria. Tu, tenendo in mano la tua strana disposizione di penne, abbracci la dimensione del tempo dal momento in cui l’hai assemblata per la prima volta, fino a quando tutto si sparpaglia per terra.
Newton e Einstein
Nella fisica di Newton, lo spaziotempo è il palcoscenico e noi – gli oggetti e i contenuti dell’universo – siamo gli attori. Ma nella relatività generale, il palcoscenico stesso diventa l’attore protagonista. Per rendere una teoria della gravità compatibile con la relatività dello spazio e del tempo (lo spaziotempo), Einstein si rese conto che la gravità non è affatto una forza, almeno non del tipo immaginato da Newton.
La gravità è una forza?
Lo spaziotempo non è uno stadio fisso, ma una membrana flessibile che pervade l’intera nostra esistenza. È un’entità a sé stante, un attore dinamico nel cast di personaggi dell’universo. L’universo è costituito da particelle e radiazioni e da tutte le loro meravigliose interazioni, e tali interazioni non avvengono sopra lo spaziotempo, ma insieme allo spaziotempo, che ora si è unito a loro.
Massa ed energia nell’universo
Massa ed energia (che non hanno bisogno di essere strettamente separate, poiché sono ormai considerate equivalenti, grazie alla teoria di Einstein) modificano la forma dello spaziotempo. Tu, leggendo questo stesso articolo, sei un’entità nell’universo, un fascio di materia. Hai massa ed energia. Lo spaziotempo dentro di te, ovunque e vicino a te è si è distorto grazie a quella massa ed energia. Spazio e tempo sono cambiati grazie alla tua esistenza.
Il campo gravitazionale nell’universo
E l’universo risponde. Immagina una particella infinitamente piccola che viaggia su una traiettoria vicino a te: come reagisce quella particella alla tua presenza? Nel linguaggio di Newton diremmo che il tuo corpo esercita un campo gravitazionale, un’influenza invisibile, e che la particella risponde a quell’influenza cambiando la sua direzione.
Cosa diceva Einstein
Ma nel linguaggio di Einstein non esistono forze, né fili invisibili. Esiste solo lo spaziotempo. Un escursionista che si sposta da un punto all’altro può viaggiare in linea retta, ma deve seguire le curve lungo il sentiero, per non perdersi nella natura selvaggia. Così gli oggetti (pianeti, fasci di luce) viaggiano sempre su traiettorie rettilinee, ma “dritte” solo nel senso che ogni passo avanti è sempre posto direttamente davanti al precedente. Lo spaziotempo sotto e attorno a quegli oggetti si piega, e così anche il percorso intrapreso dall’oggetto stesso.
Questa è la gravità
Questa è la gravità, secondo Einstein. La massa e l’energia piegano lo spaziotempo e la curvatura dello spaziotempo influenza i percorsi e i movimenti di tutto il resto. In altre parole, nemmeno lo spaziotempo stesso è immune dagli effetti relativistici dei diversi punti di vista, e quella mutazione dello spaziotempo dà origine alla nostra esperienza quotidiana della gravità.
