Il 1905 è stato definito l'annus mirabilis di Einstein. Dimostrò che la luce è composta di particelle dette fotoni, gettando le basi della meccanica quantistica. Formulò la teoria della relatività ristretta, nella quale dimostrava che il il tempo non scorre alla stessa maniera in tutti i sistemi di riferimento e che spazio e tempo non hanno esistenza indipendente ma costituiscono un unico concetto, lo spazio-tempo, appunto. Come conseguenza della relatività ristretta, ricavò la famosa equazione E=mc², che stabilisce un'equivalenza tra massa inerziale ed energia, a meno del quadrato della velocità della luce. I fisici notarono subito la creatività di Einstein, che nel 1906 ottenne il dottorato e iniziò ad insegnare, prima a Berna poi a Praga.
Nella relatività ristretta, Einstein aveva stabilito che nulla può viaggiare più velocemente della luce. Questo lo portò a riflettere sulla teoria della gravitazione di Newton. Secondo Newton, l'attrazione gravitazionale tra due masse era istantanea. C'era quindi "qualcosa" che poteva viaggiare più velocemente della luce? Questo era in contraddizione con la teoria della relatività ristretta. Einstein iniziò a pensare che ci fosse qualcosa che non andava nella teoria della gravitazione di Newton. Un altro grande fisico tedesco del tempo, Max Planck, disse ad Einstein: "Se posso darle un consiglio da amico, io che sono più vecchio di lei, lasci perdere questa idea. In primo luogo non avrà successo e anche se dovesse averlo nessuno la prenderà sul serio". Ma Einstein, di lì a poco, avrebbe tolto lo scettro a Newton!
Einstein aveva cominciato a riflettere su questa idea: "Se una persona cade liberamente non sentirà il proprio peso". Immaginiamo un uomo chiuso in un ascensore in caduta libera. Si sentirebbe senza peso e se lasciasse cadere un oggetto, lo vedrebbe "galleggiare" accanto a sé, senza peso. L'uomo non potrebbe sapere se l'ascensore stia cadendo con moto accelerato o stia galleggiando in una regione priva di gravità. Einstein chiamò questo fenomeno principio di equivalenza e ne dedusse che gravità e accelerazione sono due manifestazioni dello stesso fenomeno. Dal 1907 al 1915 Einstein passerà dal suo esperimento mentale alla formulazione di una delle teorie più belle della fisica, mentre la sua vita privata si complicava sia per la separazione dalla moglie Mileva Marić, che ritornò in Svizzera con i due figli, sia per l'isolamento in ambito lavorativo a causa delle sue origini ebree e dell'antisemitismo crescente.

Lo spazio-tempo si piega attorno ad una massa, che sia una stella, un pianeta o un essere umano. Un oggetto che si muove nelle vicinanze deve così seguire una traiettoria curva che lo conduce più vicino alla massa. (https://physics.aps.org/assets/f842dc5c-a38c-4a5b-b1f5-d042e072079a/e71_1.png)

Come se non bastasse, nel 1915, Einstein entrò in competizione con David Hilbert, uno dei più grandi matematici del '900, il quale, avendo assistito ad una lezione di Einstein, rimase affascinato dalle sue idee e iniziò a lavorare anche lui alle equazioni della relatività generale. Infatti, il problema della teoria di Einstein era la matematica! L'esperimento mentale dell'ascensore suggeriva che la gravità avrebbe curvato la luce! Immaginiamo che un raggio di luce entri nell'ascensore attraverso un foro. Se l'ascensore sta accelerando verso l'alto, nel tempo impiegato a raggiungere la parete opposta, la luce sarà un po' più vicina al pavimento, perché l'ascensore si è spostato verso l'alto. Immaginiamo di tracciare la traiettoria della luce, questa sarebbe curva! L'effetto dovrebbe essere lo stesso in un campo gravitazionale, per il principio di equivalenza. Ora servivano equazioni per descrivere il modo in cui un campo gravitazionale agisce sulla materia e come la materia genera campi gravitazionali nello spazio-tempo. Einstein e Hilbert avevano a disposizione un dato astronomico che funzionava da banco di prova della teoria: il perielio di Mercurio, il punto di massimo avvicinamento del pianeta al Sole, si era spostato in un modo non previsto dalla fisica newtoniana. Chi fosse riuscito a scrivere le "equazioni gravitazionali", tali da prevedere la precessione del perielio di Mercurio, avrebbe riscritto la storia della fisica. Einstein o Hilbert? Ci arrivarono quasi contemporaneamente. Einstein scrisse a Hilbert e quest'ultimo gli inviò i suoi calcoli. Ma alla fine Hilbert scrisse: "Le equazioni differenziali per la gravitazione che si ottengono sono, a quanto mi sembra, in accordo con la magnifica teoria generale della relatività di Einstein. È stato Einstein a fare il lavoro, non i matematici".
La mela "caduta" sulla testa di Newton non era stata "attratta" dalla Terra. È la Terra che deforma l'ambiente circostante e la mela segue uno scivolo "spazio-temporale" impresso nella geometria dell'Universo. Con la teoria della relatività generale, presentata a novembre del 1915, Einstein spiegava la gravitazione in maniera diversa da come lo aveva fatto Newton. La gravità non è una forza che attira le masse le une verso le altre, ma una conseguenza della geometria dello spazio-tempo. Con la relatività ristretta, l'Universo è descritto in quattro dimensioni: tre di spazio e una di tempo. Questo spazio-tempo si curva quando è presente una massa, costringendo gli oggetti che lo attraversano a seguire un cammino curvo. Se in una regione assai limitata è concentrata una massa molto grande, lo spazio-tempo assume una curvatura infinita. Si forma, così, un buco nero.
Il 6 novembre del 1919 i giornali di tutto il mondo annunciarono che le misurazioni effettuate durante un'eclissi solare confermavano la deviazione della luce proveniente da una stella dovuta alla gravità del Sole, in accordo con le previsioni di Einstein. Paul Dirac, premio Nobel per la fisica, disse che si trattava "probabilmente della massima scoperta scientifica mai fatta". Max Born, altro gigante della fisica del '900, definì la relatività generale "la più grande impresa del pensiero umano per la conoscenza della natura, la più ammirevole commistione di acume filosofico, di intuito fisico e di abilità matematica". Alcuni anni dopo, Einstein rispondendo al figlio Eduard che gli chiedeva perchè fosse così famoso gli disse: "Quando un coleottero cieco striscia sulla superficie di un ramo curvo, non si accorge che il percorso che ha coperto in realtà è curvo. Ho avuto la fortuna di accorgermi di quello di cui il coleottero non si è accorto".

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)