L’annus mirabilis di Einstein

NEL 1905 un impiegato ventiseienne che lavorava in un ufficio brevetti e si chiamava Albert Einstein pubblicò quattro articoli scientifici che cambiarono il nostro modo di vedere l’universo, dalle più piccole particelle che costituiscono la materia alle imponenti galassie. * Alcuni di questi articoli, inoltre, spianarono la strada a molte delle invenzioni che negli scorsi cento anni hanno trasformato la nostra vita.

“Non esiste praticamente nessun concetto fondamentale della fisica moderna la cui origine non sia riconducibile almeno in parte ad Einstein”, ha detto Isidor Rabi, premio Nobel per la fisica. Cosa scoprì esattamente Einstein un secolo fa?

Svelati i segreti della luce

Nell’articolo pubblicato nel marzo 1905 Einstein svelò alcuni segreti circa la natura della luce. Gli scienziati avevano già scoperto che la luce sembra propagarsi nello spazio come onde sulla superficie di uno stagno. La teoria ondulatoria, però, non spiegava perché una luce tenue di colore blu genera una corrente elettrica quando colpisce certi metalli mentre una luce intensa di colore rosso non genera corrente elettrica. L’articolo di Einstein contribuì a spiegare questo fenomeno conosciuto come “effetto fotoelettrico”.

Einstein postulò che la luce in certi casi si può considerare costituita da “pacchetti” (o quanti) di energia, che in seguito furono chiamati fotoni. Quando i fotoni hanno la giusta quantità di energia, o colore, riescono a strappare via degli elettroni dagli atomi di alcuni metalli. (I fotoni di cui è composta la luce rossa sono troppo deboli per ottenere lo stesso risultato). Questa interazione produce una corrente elettrica nel materiale. Invenzioni moderne come tubi elettronici per telecamere, celle solari fotovoltaiche ed esposimetri sono state tutte realizzate grazie alla spiegazione dell’effetto fotoelettrico a opera di Einstein.

Nel 1921, grazie alle sue scoperte sulla luce, Einstein vinse il premio Nobel per la fisica. Il suo articolo aprì la strada a una nuova disciplina scientifica, la fisica quantistica, e questa a sua volta pose le basi per molte altre applicazioni, ad esempio nella fisica nucleare, nell’elettronica e nelle nanotecnologie.

Perché le particelle di polline danzano

Sempre nel 1905 Einstein rivolse la sua attenzione ad atomi e molecole. Fornì una spiegazione teorica del loro effetto su minuscole particelle di polline sospese nell’acqua. Nel 1827 il biologo Robert  Brown aveva effettuato delle osservazioni al microscopio notando che le particelle di polline immerse nell’acqua si muovevano a zigzag. Questa danza fu chiamata “moto browniano”, ma Brown non fu in grado di spiegare la causa del movimento.

Nell’articolo che apparve nel maggio 1905 Einstein spiegò in che modo le vibrazioni delle molecole d’acqua potevano provocare il moto browniano. Non solo calcolò le dimensioni delle molecole d’acqua ma predisse anche le proprietà degli atomi che le costituiscono. In seguito altri scienziati lavorarono sulla base di queste predizioni e dissiparono i dubbi in merito all’esistenza degli atomi. La fisica moderna si fonda sull’idea che la materia è composta da atomi.

Il tempo è relativo

La teoria della relatività ristretta, o speciale, pubblicata da Einstein nel giugno 1905, contraddiceva un’idea fondamentale che era stata propria di scienziati come Isaac Newton, cioè che lo scorrere del tempo fosse costante in tutto l’universo. Le conseguenze di questa teoria che oggi è universalmente accettata possono sembrare piuttosto insolite.

Immaginate, ad esempio, di sincronizzare il vostro orologio con quello di un vostro amico. Il vostro amico fa un viaggio intorno al mondo in aereo mentre voi restate a casa. Al ritorno, si riscontrerà che il suo orologio va leggermente indietro rispetto al vostro. Dal vostro punto di vista, per il vostro amico il tempo è trascorso più lentamente. Naturalmente alle velocità che l’uomo può raggiungere la differenza è infinitesimale. Tuttavia, avvicinandosi alla velocità della luce, non solo il tempo rallenta notevolmente ma gli oggetti diventano più piccoli e la loro massa aumenta. La teoria di Einstein sosteneva che è la velocità della luce, non lo scorrere del tempo, a essere costante nell’universo.

Una formula che ha cambiato il mondo

Nel settembre 1905 Einstein pubblicò un altro articolo, considerato un corollario della sua teoria della relatività ristretta. L’articolo conteneva la formula che è diventata il simbolo del suo lavoro: E=mc². Secondo quest’equazione la quantità di energia liberata quando si scinde un atomo è uguale alla perdita di massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato.

Grazie al lavoro di scienziati come Einstein l’umanità ha imparato molto sulla natura dell’universo. Eppure, per quanto riguarda la conoscenza, la situazione dell’uomo è ancora simile a quella descritta nell’antichità da Giobbe che, parlando delle opere del Creatore, riconobbe umilmente: “Ecco, questi sono i margini delle sue vie, e qual sussurro di una questione si è udito riguardo a lui!” — Giobbe 26:14.

[Nota in calce]

[Diagramma/Immagini a pagina 20]

(Vedi l’edizione stampata)

La luce si comporta sia come un’onda che come un insieme di particelle. La comprensione di questo fenomeno ha permesso l’invenzione di calcolatrici alimentate a batterie solari e di sensori per macchine fotografiche digitali

[Diagramma/Immagini a pagina 21]

(Vedi l’edizione stampata)

Il moto browniano contribuì a provare l’esistenza degli atomi

[Diagramma/Immagini a pagina 21]

(Per la corretta impaginazione, vedi l’edizione stampata)

E Energia

= uguale a

m massa per

c² velocità della luce al quadrato

c² significa c per c, ovvero 300.000 chilometri al secondo per 300.000 chilometri al secondo

Poiché c² è un numero estremamente grande (90.000.000.000 km²/sec²), una piccola quantità di massa può essere convertita in un’enorme quantità di energia. Quando viene scisso, un atomo di uranio forma rapidamente due atomi più piccoli perdendo però all’incirca lo 0,1 per cento della sua massa; questa minuscola quantità di massa si trasforma in un’enorme quantità di energia

Energia liberata

Un solo chilo di materia convertita in energia equivale:

▪ a circa 25 miliardi di chilowattora

▪ all’energia necessaria perché un’automobile compia il giro della terra 400.000 volte

▪ all’energia necessaria perché la più grande petroliera circumnavighi il globo 900 volte

▪ al fabbisogno di energia elettrica degli Stati Uniti per due giorni

È vero anche il contrario: occorre un’enorme quantità di energia per “materializzare” un solo atomo

[Immagini a pagina 21]

Maggiore è la velocità, più lento è lo scorrere del tempo

[Immagine a pagina 21]

Gli orologi a bordo dei satelliti del sistema di localizzazione GPS non scandiscono il tempo alla stessa velocità di quelli sulla terra. I segnali GPS sarebbero inutilizzabili se non si correggesse questo effetto dovuto alla relatività

[Fonti delle immagini a pagina 20]

Einstein: Foto di Topical Press Agency/Getty Images; sfondo: CERN photo, Ginevra