Facciamo un viaggio in treno.
Immaginiamo un treno. lungo 5.400.000 chilometri, che si muova in linea retta a una velocità di 240.000 chilometri al secondo.
Supponiamo che a un certo momento a metà del treno venga accesa una lampadina. Il primo e l'ultimo vagone hanno porte automatiche, che si aprono appena vengono illuminate. Che cosa vedranno rispettivamente le persone che si trovano sul treno e quelle che stanno sotto la pensilina?
Come d'accordo, per rispondere a questa domanda ci baseremo soltanto su dati sperimentali.
Le persone , sedute a metà del treno vedranno quanto segue: secondo l'esperienza di Michelson la luce viaggia alla stessa velocità in tutte le direzioni relativamente al treno, cioè a 300.000 chilometri al secondo, quindi la luce raggiungerà contemporaneamente il primo e l'ultimo vagone in nove secondi (2.700.000 : 300.000). Perciò i viaggiatori vedranno tutte e due le porte aprirsi nello stesso istante.
Ma che cosa vedrà la gente sotto la pensilina? Anche relativamente alla stazione la luce viaggia a 300.000 chilometri al secondo. Il vagone di coda va incontro al raggio di luce. La luce arriverà quindi al vagone di coda in
2.700.000 : (300.000 + 240.000) = 5 secondi
Il vagone di testa, invece, si allontana dalla sorgente di luce per cui la luce deve rincorrerlo e lo raggiungerà soltanto dopo
2.700.000 : (300.000 - 240.000) = 45 secondi
Cosí la gente in attesa sotto la pensilina vedrà che le porte del treno non si aprono nello stesso istante.
Si aprirà per prima la porta del vagone di coda e la porta del vagone di testa si aprirà soltanto dopo
45 - 5 = 40 secondi'.
In questo modo vediamo che i due eventi, l'apertura della porta di testa e quella di coda al treno, sono simultanei per la gente nel treno e separati da un intervallo di quaranta secondi per chi sta sotto la pensilina.
Supponiamo ora che il treno di Einstein si muova non in linea retta, ma percorra una linea circolare e dopo un certo tempo ritorni al punto di partenza. Come abbiamo gia visto, il passeggero sul treno scoprirà che il suo orologio va indietro, sempre più indietro a mano a mano che aumenta la velocita del treno. Su un percorso circolare continuando ad aumentare la velocità del treno di Einstein, potremmo arrivare a una stazione nella quale mentre per il passeggero sarà passata poco piú di un'ora, per il capostazione saranno trascorsi molti anni.Su questa ferrovia circolare il nostro passeggero ritornando al punto di partenza dopo un giorno (secondo il suo orologio) troverà tutti gli amici e i parenti morti da lungo tempo!
Contrariamente al caso del viaggio fra due stazioni, nel quale il passeggero confronta il suo orologio con altri due diversi, qui nel viaggio circolare sono confrontate le indicazioni di due orologi e non di tre, e precisamente l'orologio sul treno e quello della stazione dalla quale è iniziato il viaggio.
Esiste una contraddizione col principio di relatività? Potremmo ora supporre il viaggiatore a riposo e la stazione in movimento, mentre compie un viaggio circolare con la velocità del treno di Einstein? Se potessimo, giungeremmo a concludere che per chi sta alla stazione passerebbe soltanto un giorno, mentre per chi sta nel treno passerebbero molti anni. Ma questo ragionamento non sarebbe corretto e spieghiamo subito perché.
Precedentemente abbiamo visto che possono essere considerati in stato di riposo soltanto gli oggetti non sottoposti all'azione di alcuna forza. In realtà non c'è un solo « stato di riposo » ma innumerevoli e multiformi e, come abbiamo visto, due corpi in quiete possono muoversi di moto rettilineo e uniforme uno relativamente all'altro. Ma l'orologio del treno di Einstein è senza dubbio sottoposto alla forza centrifuga, per cui non possiamo certamente considerarlo a riposo. In questo caso c'è una differenza assoluta nelle indicazioni dell'orologio alla stazione, che è a riposo, e di quello sul treno di Einstein.
Se due persone con l'orologio regolato sulla stessa ora partono e s'incontrano di nuovo dopo un certo tempo, sarà trascorso piú tempo secondo l'orologio della persona che è stata a riposo o si è spostata con moto rettilineo e uniforme, cioè secondo l'orologio che non sarà sottoposto ad alcuna forza.
Un viaggio su una ferrovia circolare con una velocità prossima a quella della luce, in teoria ci permette di realizzare, seppur in un senso limitato la « macchina del tempo » di H.G. Wells: sbarcando al nostro luogo di partenza scopriremo di esserci mossi nel futuro. É vero, con questa macchina del tempo possiamo soltanto trasportarci nel futuro, ma non possiamo ritornare nel passato. Questa è la differenza maggiore rispetto alla macchina di Wells.
È futile persino sperare, che gli sviluppi futuri della scienza ci possano permettere di viaggiare nel passato. Altrimenti in teoria dovremmo accettare la possibilità di situazioni molto assurde. Perché, viaggiando nel passato, potremmo trovarci nella situazione di essere delle persone i cui genitori non hanno ancor visto la luce del giorno.
Invece un viaggio nel futuro implica contraddizioni soltanto apparenti.