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Un articolo di Einstein ha cambiato il mondo

Albert Einstein a colloquio con Robert Oppenheimer che diresse la costruzione delle prime bombe atomiche mentre Einstein volle sempre disinteressarsene


In occasione dell'Anno internazionale della Fisica abbiamo chiesto un intervento al docente pesarese Antonio Vitale, professore ordinario di Fisica Sperimentale all'Università di Bologna, che collabora con i più importanti centri europei di ricerca nell'ambito della fisica nucleare e sub-nucleare.

L'Assemblea Generale delle Nazioni Unite ha dichiarato il 2005 “International Year of Physics” (Anno internazionale della Fisica) invitando l'Unesco ad organizzare attività di celebrazione in collaborazione con le Società e i gruppi di fisica in tutto il mondo, inclusi i Paesi in via di sviluppo.
Il 2005, infatti, rappresenta il centenario del fatidico 1905, anno mirabile della fisica, dove nella rivista scientifica Annalen der Physik di Zurigo vennero ospitati diversi lavori di Albert Einstein che hanno modificato e continueranno a modificare ulteriormente la vita sul nostro pianeta in una misura che ancora oggi è difficile da valutare. La stesura e l'elaborazione di questi lavori scientifici costarono molto in termini di serenità alla vita di Einstein. Essi, infatti, contengono idee rivoluzionarie su questioni estremamente  rilevanti come: la materia e l'energia, lo spazio e il tempo, la natura della luce, l'esistenza degli atomi, concetti che costituiscono delle pietre miliari della fisica contemporanea.
Nella storia del pensiero dell'uomo vi sono eventi per i quali è difficile trovare un paragone convincente che ne esemplifichi e ne circoscriva l'importanza: a questa categoria appartiene il riconoscimento dell'equivalenza tra materia ed energia e quindi della possibilità di reciproca conversione. Ricordiamo che la massa di un corpo è una caratteristica (proporzionale al suo peso) che misura l'inerzia, e cioè la resistenza che il corpo oppone alla variazione della sua velocità: massa e quantità di materia appaiono concetti vicini. Definiamo invece energia la capacità di un determinato sistema di produrre lavoro. All'inizio del ‘900 massa ed energia erano considerate come due forme di sostanza separatamente vincolate dall'obbligo di non diminuire né aumentare mai,  in ossequio ai ben distinti principii di conservazione della massa e di conservazione dell'energia. L'equivalenza di principio tra massa ed energia, enunciata da Einstein  nel  1905 (in un articolo di sole tre pagine sulla rivista scientifica Annalen der Physik) fece d'improvviso giustizia di queste convinzioni, aprendo contemporaneamente la strada alla scoperta dell'energia nucleare e della conversione di energia in materia, che è alla base della fisica delle alte energie.
Questo aspetto della teoria einsteiniana basta a darle il carattere rivoluzionario, sotto il profilo culturale, scientifico e tecnologico, sufficiente a delineare uno di quegli avvenimenti che trasformano la storia dell'umanità, decretandone la transizione da un'epoca ad un'altra. Eventi come l'accensione del primo fuoco, la scoperta della polvere da sparo, della pila elettrica, della macchina a vapore, della radio, dei computers, l'invenzione della stampa, la scoperta dell'America e la discesa dell'uomo sulla Luna, ad esempio, potrebbero a buon diritto entrare in questa categoria. La formulazione dell'equivalenza tra materia ed energia, tuttavia, sfugge al confronto separato con ognuna di queste grandi conquiste dell'umanità, confronto che rischia di apparire inadeguato sotto diversi profili. E' ragionevole, infatti, accettare il fatto che oggi nessuno di noi sa valutare con sicurezza fino a qual punto la propria vita sia stata o sarà modificata dal contenuto delle tre celebri pagine di quella rivista. Se consideriamo l'aspetto culturale della scoperta, è d'obbligo ricordare anzitutto che essa fa parte dei risultati prodotti  da una critica audace e rigorosa dei concetti cardine della fisica classica (quali quelli  di spazio e di tempo assoluti) su cui riposavano le grandi conquiste della meccanica classica di Galileo e Newton. E' altrettanto significativo sottolineare che, se la teoria della relatività fece giustizia di questi concetti, così come dei principi classici di conservazione della massa e di conservazione dell'energia, essa però non ne fece scempio. Da un lato, infatti, le leggi della meccanica classica rientrano come caso particolare in quelle della meccanica relativistica, che con esse coincidono quando le velocità in gioco sono trascurabili rispetto alla velocità della luce. Dall'altro, i due principii di conservazione  separati vennero inclusi - come casi limite - e conglobati in un superiore principio di conservazione della massa-energia: e cioè della nuova sostanza unificata per la quale queste due quantità non sono disomogenee. In termini elementari, tale principio afferma che se nell'universo sparisce una certa quantità di massa, deve apparire una ben precisa quantità di energia che le corrisponde e viceversa. Il superamento delle barriere che dividono due grandezze, considerate non omogenee, e l'identificazione di un nuovo super-principio (dal quale, come casi particolari, possono essere scorporati principii precedentemente noti), fanno parte di un itinerario non insolito nel progresso della scienza. Lo stesso principio di conservazione dell'energia, che rappresenta uno dei grandi contributi del secolo XIX al progresso scientifico e tecnologico, sanciva l'atto di unificazione, e quindi di intercambiabilità, fra le diverse forme di energia (lavoro meccanico, calore, energia chimica ed elettromagnetica, etc.), che venivano in precedenza considerate come separate. E' interessante rilevare, a questo proposito, che la formulazione di questa legge, basata sugli esperimenti e sul  pensiero di un folto gruppo di scienziati, da Sadi Carnot (1796-1832) a Von Helmholtz (1821-1894), ricevette un impulso assai preciso dallo studio della conversione del carbone in energia termica, tema fondamentale per le applicazioni pratiche (tra cui la macchina a vapore) che furono alla base della rivoluzione industriale. Le necessità tecnologiche, in qualche modo, sollecitarono  dunque il progresso del pensiero scientifico, dando origine alla disciplina della termodinamica, della quale il principio di conservazione dell'energia  costituisce di fatto una delle leggi fondamentali (il primo principio della termodinamica). La scoperta di Einstein sulla intercambiabilità di materia ed  energia è qualche cosa di costituzionalmente molto diverso. Essa fu infatti dovuta ad una vera e propria impennata del pensiero scientifico, per la quale sarebbe stato assai problematico identificare sollecitazioni provenienti dal mondo della produzione e della tecnologia dell'epoca. Fu un prodigioso affondo della mente umana, che precedette di diversi decenni le applicazioni pratiche e tecnologiche, presentandosi immediatamente come una conclusione teorica che richiedeva verifiche sperimentali. Ancora oggi, è significativo ricordare che molte tappe importanti debbono essere raggiunte, prima che si possa dire che, dal punto di vista tecnologico, le possibilità più importanti prospettate dalla equivalenza massa-energia siano state tutte convenientemente sfruttate. Le considerazioni che abbiamo esposto, ben lungi dall'esaurirne le implicazioni, sono contenute in una formula ormai popolare  (E=mc^2 )  nella quale E rappresenta l'energia, m la massa e  il quadrato della velocità della luce (numero molto grande).  Questo numero esprime il fattore di conversione fra massa ed energia. La semplicità della formula non reca il segno del profondo travaglio scientifico  ed umano che portò a ricavarla e  il linguaggio scientifico delle frasi scarne che la accompagnano toglie ogni pathos all'enunciazione della straordinaria scoperta. E' interessante ricordare che, con una dose notevole di prudenza e saggezza scientifica, Einstein concludeva il suo articolo dicendo: “Non è escluso che (...) una prova della teoria possa riuscire”. Oggi  sappiamo che non una, ma un gran numero di prove sperimentali avrebbero dimostrato la validità di quella geniale previsione che forse salverà l'umanità dalla sua distruzione.

Antonio Vitale

 

 



 
 
 
 
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