Albert Einstein un genio fuori dal comune


    Nel 1905, un giovane e sconosciuto ventiseienne con la passione per la fisica pubblicò sulla rivista Annalen der Physik cinque articoli che consacrarono indelebilmente lui e le sue teorie nel panorama scientifico; il suo nome era Albert Einstein, e il contenuto di queste importanti pubblicazioni gettarono le basi della fisica moderna.

    [inline: 1= Immagine - 1 - Albert Einstein] Immagine - 1 - Albert Einstein ©Yousuf Karsh / Library and Archives Canada

    Il suo alleato e strumento più prezioso?

    Potrebbe sembrare un controsenso, ma fu l'immaginazione, che lo portò a rivoluzionare la visione del mondo, così come era stato descritto e conosciuto fino a quel momento.

    A partire da quell'anno, ricordato non a caso come Annus Mirabilis della fisica, Einstein formulò due teorie importantissime: quella della relatività ristretta o speciale (1905) e quella della relatività generale (1916).

    La prima affronta i fenomeni legati al movimento dei corpi all'interno di sistemi di riferimento inerziali e propone due postulati fondamentali:

    1. Principio di relatività: le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi inerziali; questa uguaglianza, già nota per le leggi della meccanica in base al principio di relatività di Galileo, si estende pertanto a tutte le altre leggi della fisica.
    2. Principio di costanza della velocità della luce: la velocità della luce nel vuoto è: c = 2,998 • 108 m/s indipendentemente dal moto della sorgente che l'ha emessa e dell'osservatore.

    Una delle conseguenze principali di questi principi è la caduta del concetto di tempo assoluto.

    Mentre per Newton il tempo, per sua stessa natura, scorre uniformemente senza alcuna relazione ad alcunché di esterno, per Einstein la situazione diventa più complessa quando si vogliono connettere due eventi che accadono in luoghi diversi o quando due osservatori, in sistemi di riferimento diversi, vogliano stabilire l'ordine temporale degli eventi.

    Consideriamo un esempio: un uomo è al buio al centro di un vagone di un treno in moto con velocità costante.

    A un certo istante, mediante un'apposita sorgente, l'uomo invia due radiazioni luminose verso le due estremità del vagone, sulle cui pareti si trovano dispositivi in grado di segnalare l'arrivo delle radiazioni stesse.

    La velocità della luce è costante e, quindi, l'onda raggiungerà i due estremi simultaneamente.

    Un osservatore posto a terra col proprio orologio, non vedrà però le cose nello stesso modo.

    Per il secondo postulato non vale infatti la regola newtoniana delle composizioni della velocità e anche per l'osservatore a terra la luce si muoverà con velocità costante; mentre, però, la parte posteriore del vagone si avvicina verso la luce, quella anteriore se ne allontana e, quindi, per l'osservatore a terra, le due radiazioni luminose non giungono contemporaneamente sulle pareti, ma la parete posteriore viene colpita con un certo anticipo rispetto a quella anteriore.

    Questo esempio ci aiuta a comprendere che due eventi che risultano simultanei in un sistema inerziale possono non esserlo in un altro e ci porta a concludere che la simultaneità è un concetto relativo e che il tempo non è assoluto.

    Se agli orologi meccanici sostituiamo degli orologi biologici (il ritmo delle pulsazioni cardiache, i battiti del polso, eccetera), arriveremo al paradosso dei gemelli, un esperimento immaginario che accese un interessante dibattito fra gli scienziati all'inizio del XX secolo.

    Citando lo stesso Einstein possiamo iniziare dicendo che:

    "Se un organismo vivente, dopo un volo arbitrariamente lungo, ad una velocità prossima a quella della luce, potesse ritornare nel suo luogo di origine, egli sarebbe solo minimamente alterato mentre i corrispondenti organismi rimasti, già da tempo avrebbero dato luogo a nuove generazioni" (Albert Einstein, 1911).

    Se indichiamo con t il tempo misurato dall'organismo rimasto a terra e t' quello misurato dall'organismo in volo, la relazione tra i due tempi è:

    t = t'/ (1 – v2 / c2)1/2.

    Se v - la velocità dell'organismo in moto - è di gran lunga inferiore a c - la velocità della luce - , il loro rapporto è approssimabile a zero e ci riconduce al caso classico in cui t = t', Ma se v e c sono pressoché simili, allora t risulta maggiore di t'.

    Supponiamo di avere due gemelli, Tizio e Caio, perfettamente identici, e supponiamo che, arrivati all'età di trentacinque anni, Caio decida di partire per una stella lontana a bordo di una nave spaziale che viaggia a una velocità costante v = 0,8c rispetto alla Terra.

    [inline: 2= Immagine - 2 - Il paradosso dei gemelli] Immagine - 2 - Il paradosso dei gemelli ©Unione Astrofili Italiani.

    Ipotizziamo che Caio arrivi sulla stella dopo un intervallo di tempo t' pari a 10 anni, misurato sulla navicella.

    In quel momento, per Tizio, sarà trascorso un tempo:

    t = 10 / (1 – 0,82)1/2 anni = 16 anni

    Nella navicella tutti i fenomeni sono avvenuti più lentamente rispetto alla Terra, "rallentando" anche l'invechiamento di Caio, quindi mentre il fratello lontano Tizio avrà già compiuto 51 anni, lui ne avrà solo 45.

    Consideriamo ora il viaggio di ritorno, che avverrà nelle stesse condizioni: quando Tizio e Caio si ritroveranno sulla Terra avranno rispettivamente 67 e 55 anni.

    Ribaltando il punto di vista e osservando il tutto dal sistema di riferimento del gemello astronauta, dovremmo però poter fare lo stesso ragionamento:

    Caio potrebbe affermare che è il gemello a Terra a muoversi, mentre lui rimane fermo, quindi la stessa deduzione del caso precedente dovrebbe farci arrivare alla conclusione opposta giungendo quindi al paradosso.

    In realtà non si tratta di un vero e proprio paradosso ma semplicemente di una situazione in cui la relatività ristretta non è più efficace: la navicella in movimento non è infatti un sistema inerziale, dal momento che subisce accelerazioni e decelerazioni rispetto alla Terra, per cui viene a cessare la simmetria fra i sistemi e, come dimostrerà la teoria della relatività generale, solo il sistema non inerziale risente effettivamente degli effetti relativistici.

    Le altre due grandezze fisiche che vengono rivisitate sostanzialmente con le teorie di Einstein sono l'energia e la massa; la teoria della relatività afferma che le due grandezze non sono più entità separate e indipendenti, ma che la massa non è altro che una forma di energia.

    Einstein scrive: "se un corpo emette energia L sotto forma di radiazione, la sua massa diminuisce di una quantità L / c2"; in altri termini la massa di un corpo è direttamente proporzionale alla sua energia secondo l'equazione E = mc2.

    Dal momento che la costante di proporzionalità  c2 Ã¨ una quantità molto grande, anche una piccolissima quantità di massa può trasformarsi in una quantità enorme di energia; anche un corpo fermo, non soggetto a forze, possiede un'energia di quiete E0 = m0 c2 per il solo fatto di avere una massa m0.

    La celebre formula einsteiniana, nota come principio di equivalenza fra massa e energia, è anche all'origine della luce delle stelle, che splendono trasformando in energia una piccola parte della loro massa.

    Possiamo trovare una conferma di questo principio cardine delle relatività in diversi fenomeni della fisica delle particelle elementari, in cui si sfrutta questa equivalenza per convertire l'energia derivante dalla massa delle particelle in ulteriori forme di energia.

    Enrico Fermi si basò proprio su questo assunto per costruire la prima pila atomica, un dispositivo che permette lo sviluppo continuativo e controllato dell'energia emessa nelle reazioni di fissione nucleare.

    Tutto questo fu solo l'inizio e la premessa della più complessa teoria della Relatività Generale, che estese i risultati della relatività ristretta anche ai sistemi non inerziali, ampliando ulteriormente gli orizzonti verso nuove prospettive.

    Nel 1907, Einstein affermò di aver avuto "il pensiero più felice della sua vita", comprendendo che per un osservatore in caduta libera in un campo gravitazionale la gravità scompare ("Se una persona cade liberamente non sentirà il suo stesso peso" – A. Einstein).

    Fu il primo passo che lo condusse alla formulazione del principio di equivalenza, che stabilisce l'indistinguibilità fra i fenomeni che si osservano in un campo gravitazionale uniforme e quelli di un sistema in moto con accelerazione costante.

    La gravità, concepita da Newton come una forza fisica di attrazione agente attraverso lo spazio, venne riformulata da Einstein come una manifestazione della geometria dell'universo, inteso ora come un continuum spazio-temporale e "deformato" dalla presenza della materia: al suo interno gli oggetti si muovono seguendone i percorsi curvilinei.

    Secondo questa teoria anche i raggi luminosi emessi dalle stelle subirebbero una deviazione passando in prossimità del Sole, a causa della gravità esercitata da quest'ultimo.

    I fatti non tardarono a dare ragione a Einstein e, in occasione dell'eclissi totale di Sole del 1919, si osservò la veridicità di questa predizione: le misure sperimentali risultarono in buon accordo con i calcoli teorici di Einstein e fornirono una singolare quanto importante verifica pratica della teoria della relatività generale, che invitiamo ad approfondire nei testi suggeriti in bibliografia.

    L'intero percorso scientifico e umano compiuto da Einstein, che nel 1905 era un impiegato dell'ufficio brevetti di Berna, riflette un appassionato tentativo di cercare un'unica base teorica in grado di unificare tutte le principali manifestazioni fisiche dell'universo; in questa ricerca fu guidato dalla sua sconfinata curiosità e da una genialità decisamente fuori dal comune.

    Bibliografia

    La Fisica U. Amaldi Nuova Physica A. Caforio, A. Ferilli Collaborazione della D.ssa I. Ricci.

    Sitografia

    Albert Einstein - From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

    Albert Einstein Biography - nobelprize.org http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/einstein-bio.html

    Per approfondire:

    EDDINGTON ARTHUR S.: "Spazio, tempo e gravitazione. La teoria della relatività generale." Boringhieri EINSTEIN, ALBERT: "Il significato della relatività." Einaudi EINSTEIN, ALBERT: "Relatività. Esposizione divulgativa" Boringhieri EINSTEIN, ALBERT: "Opere scelte" Boringhieri



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