Etere luminifero

L'etere (o etere luminifero) è un mezzo ipotetico introdotto nella cosiddetta teoria dell'etere, volta a risolvere le contraddizioni tra la Meccanica Classica e le leggi dell'Elettromagnetismo sorte nel 1800. L'esistenza dell'etere è stata prima confutata sperimentalmente mediante l'esperimento di Michelson e Morley e successivamente da Einstein mediante i postulati della relatività ristretta.

 

Iniziamo a presentare la teoria della relatività ristretta partendo dalle fondamenta. Come sempre accade, lo studio della Fisica si sviluppa quando insorgono incongruenze tra le leggi conosciute. Nel 1800 emersero alcune contraddizioni tra la Meccanica Classica e l'Elettromagnetismo e il primo tentativo per risolverle venne proposto introducendo il concetto di etere.

 

In questa lezione ci soffermeremo sulle osservazioni che hanno indotto i fisici a formulare la teoria dell'etere, spiegheremo cos'è l'etere in fisica e ne analizzeremo le falle concettuali.

 
 
 
 

Da dove nacque l'idea dell'etere luminifero: Meccanica Classica vs Elettromagnetismo

 

Si è sempre saputo che le leggi della Cinematica e della Dinamica avessero la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziali, cioè quei sistemi che si muovono l'uno rispetto all'altro di moto rettilineo uniforme. Questo è quello che viene chiamato principio di relatività newtoniana o galileiana. In questo contesto affermare che le leggi della meccanica hanno la stessa forma significa che esse si presentano di fatto tramite una medesima equazione.

 

Pensiamo ad esempio di fare un piccolo esperimento: vogliamo determinare la legge che regola la caduta dei gravi misurando nel contempo l'accelerazione di gravità terrestre. Possiamo allora lasciar cadere una pallina dalla finestra di una stanza da due metri d'altezza. Osservandone il moto potremmo giungere alla legge della caduta dei gravi che conosciamo e, a partire da essa, calcolare l'accelerazione di gravità terrestre misurando il tempo di caduta.

 

Ora, se salissimo su una nave da crociera che viaggia a velocità costante, molto stabile sul mare, e provassimo a ripetere l'esperimento nelle medesime condizioni di prima, arriveremmo forse ad un diverso risultato? La risposta è no, non cambierebbe assolutamente nulla: se lasciassimo cadere la pallina da due metri di altezza, troveremmo la stessa identica legge per la caduta dei gravi e anche lo stesso valore dell'accelerazione di gravità.

 

Se due persone che si trovano in due sistemi di riferimento inerziali diversi in moto relativo conducono lo stesso esperimento, allora giungono alla medesima conclusione. La legge fisica che regola la caduta dei gravi è la stessa sia per chi ha condotto l'esperimento nella sua stanza sia per il (più fortunato!) passeggero della nave. Questo è il cosiddetto principio di relatività.

 

Ricordatevi però che tutto ciò è valido a patto che si parli di sistemi di riferimento inerziali; in presenza di accelerazioni infatti le cose cambiano.

 

Teoria dell'etere luminifero

 

Sul principio di relatività (newtoniana) non vi è mai stato nulla da obiettare fino a quando però le leggi dell'Elettromagnetismo hanno cominciato a fornire risultati contraddittori. Sembrava infatti che per tali leggi non fosse più valido il principio di relatività e che le leggi dell'Elettromagnetismo cambiassero forma a seconda del sistema di riferimento considerato.

 

Alcuni fisici cercarono di dirimere la questione avanzando una nuova teoria, detta teoria dell'etere: essi supposero che tutta la teoria elettromagnetica fosse costituita dalle leggi che conosciamo a patto di considerare un sistema di riferimento particolare, che venne denominato etere luminifero o più brevemente etere.

 

L'idea era un po' bizzarra ma cercava di risolvere un evidente problema. Le soluzioni che si prospettavano infatti erano due:

 

1) si poteva concludere che le leggi dell'Elettromagnetismo fossero sbagliate. Ma come si poteva sostenere tale affermazione, dato che le leggi risultano in perfetto accordo con le evidenze sperimentali?

 

2) La seconda possibilità era quella di supporre che esistesse un sistema di riferimento privilegiato nel quale le leggi dell'Elettromagnetismo assumessero la loro forma più semplice e conosciuta, e che cambiassero invece in qualunque altro sistema di riferimento in moto rispetto a quello privilegiato.

 

Cos'è l'etere (o meglio, cos'era)

 

Alcuni fisici, seguendo la seconda possibilità, convennero di introdurre il concetto di etere. Come ulteriore osservazione a favore bisogna poi aggiungere anche che tutte le onde meccaniche (le onde che si propagano sulla superficie dell'acqua, le onde sonore, e così via) hanno sempre bisogno di un mezzo per potersi propagare. In mancanza di un mezzo adatto queste onde non sono in condizione di propagarsi.

 

Il suono ad esempio ha bisogno di un mezzo in cui propagarsi, come l'aria; nello spazio vuoto infatti i suoni non esistono. Visto che anche la luce è un'onda, è possibile che abbia bisogno di un mezzo tramite il quale propagarsi.

 

Per spiegare cos'è l'etere e risolvere le contraddizioni sulle leggi dell'Elettromagnetismo venne avanzata una teoria secondo cui:

 

- dovesse esistere un sistema di riferimento privilegiato in cui valessero le leggi dell'Elettromagnetismo per come erano note;

 

- tale sistema di riferimento privilegiato fosse costituito da etere luminifero, un particolare mezzo in grado di propagare tutte le onde, compresa la luce.

 

Non ci volle molto prima che la teoria dell'etere iniziasse a scricchiolare. Era evidente che l'etere luminifero dovesse possedere caratteristiche piuttosto strane da un punto di vista chimico e fisico: doveva infatti essere solido e rigido per sostenere l'altissima velocità della luce, doveva essere immobile ma allo stesso tempo non doveva opporre alcun tipo di resistenza al moto dei corpi celesti che lo attraversavano. Non è semplice immaginare un mezzo con queste caratteristiche...

 

Esperimenti per verificare l'esistenza dell'etere

 

Nella seconda metà dell'Ottocento si idearono diversi esperimenti per verificare l'esistenza dell'etere. Tra questi va sicuramente ricordato l'esperimento di Michelson e Morley del 1887, in cui i due fisici introdussero altresì la nozione di vento d'etere e che diede esito negativo. Lo tratteremo in dettaglio nella lezione successiva.

 

Soltanto nei primi anni del Novecento Einstein riuscì a fornire un inquadramento teorico al problema, mediante i cosiddetti postulati della relatività ristretta, affermando che la luce si muove sempre alla medesima velocità in tutti i sistemi di riferimento inerziali e che non può esistere un sistema di riferimento privilegiato (l'etere) in cui la luce viaggia alla velocità c mentre negli altri sistemi in moto relativo rispetto all'etere la luce viaggia a velocità differenti.

 

In questo modo il concetto di etere è stato superato trasformandosi in una vecchia idea della quale i fisici non avevano più bisogno. Oggi infatti sappiamo anche che la luce, per propagarsi, non necessita di alcun mezzo e più benissimo propagarsi nel vuoto. :)

 

 


 

Nella lezione successiva parleremo dell'esperimento di Michelson e Morley, per poi passare al cuore della teoria della relatività ristretta e studiare le geniali intuizioni di Einstein. Nel caso siate in cerca di esercizi svolti e di esempi vi invitiamo come al solito ad usare la barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

Lezione successiva


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