Albert Einstein: cos’ha scoperto?
Albert Einstein è considerato come una delle menti più illuminate del ventesimo secolo. Figura di grande rilevanza sia in ambito scientifico che filosofico e politico, ha senza dubbio apportato un grande contributo all’innovazione e alla ricerca scientifica e fisica.
L’uomo di scienza è riuscito a far appassionare grandi e piccini alla fisica e alle sue scoperte. Ha raggiunto il premio Nobel e gli si attribuisce il merito di aver mutato in maniera radicale il paradigma di interpretazione del mondo fisico.
Ma sono sicura che la maggior parte di voi non è a conoscenza in modo approfondito di ciò che sono state e di ciò che hanno comportato i suoi studi e le sue ricerche. Scopriamolo insieme.
Sommario
Le scoperte di Albert Einstein
Einstein impiegò il suo interesse e il suo tempo in ambiti molto distinti della fisica, dando quindi il suo contributo a più teorie e ricerche. Uno dei punti di inizio della sua carriera come uomo di scienza fu un anno molto particolare: il 1905.
Anno ricordato come annus mirabilis, nel quale pubblicò quattro articoli a contenuto fortemente innovativo riguardanti tre aree differenti della fisica:
- Dimostrò la validità del concetto di quanto di Planck nell’ambito della spiegazione dell’effetto fotoelettrico dei metalli.
- Fornì una valutazione quantitativa del moto browniano e l’ipotesi di aleatorietà dello stesso.
- Espose in due articoli la teoria della relatività ristretta, che precedette di circa un decennio quella della relatività generale.
E partiamo proprio da queste due ultime pubblicazioni: iniziamo a parlare della teoria della relatività ristretta e generale.
La teoria della relatività
Nel 1915 Einstein propose una teoria relativistica della gravitazione, denominata relatività generale. Questa teoria descriveva le proprietà dello spaziotempo a quattro dimensioni. Secondo tale teoria la gravità non è altro che la manifestazione della curvatura dello spaziotempo.
La teoria della relatività generale è l’attuale teoria fisica della gravitazione.
Essa descrive l’interazione gravitazionale non più come azione a distanza fra corpi massivi, come nella teoria newtoniana. Ma come effetto di una legge fisica che lega la geometria (più specificamente la curvatura) dello spazio-tempo con la distribuzione e il flusso in esso di massa, energia e impulso.
In particolare la geometria dello spazio-tempo identifica i sistemi di riferimento inerziali con le coordinate relative agli osservatori in caduta libera, che si muovono lungo traiettorie geodetiche. La forza peso risulta in questo modo una forza apparente osservata nei riferimenti non inerziali. La relatività generale è alla base dei moderni modelli cosmologici della struttura a grande scala dell’universo e della sua evoluzione.
Come disse lo stesso Einstein, fu il lavoro più difficile della sua carriera a causa delle difficoltà matematiche. Poiché si trattava di far convergere concetti di geometria euclidea in uno spaziotempo curvo, che, in accordo con la relatività ristretta, doveva essere dotato di una struttura metrica di tipo lorentziano anziché euclideo.
Einstein dedusse le equazioni del moto da quelle della relatività speciale valide localmente nei sistemi inerziali. Dedusse inoltre il modo in cui la materia curva lo spaziotempo imponendo l’equivalenza di ogni possibile sistema di riferimento (da cui il nome di “relatività generale”).
La relatività ristretta
La teoria della relatività ristretta (o relatività speciale), sviluppata da Albert Einstein nel 1905, è una riformulazione ed estensione delle leggi della meccanica. In particolare essa è necessaria per descrivere eventi che avvengono ad alte energie e a velocità prossime a quella della luce, riducendosi alla meccanica classica negli altri casi.
Con l’introduzione della relatività ristretta nel 1905 Einstein rende compatibili l’elettromagnetismo e la meccanica classica. Il fisico basa la teoria su due postulati:
- le leggi della meccanica, dell’elettromagnetismo e dell’ottica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
- La luce si propaga nel vuoto a velocità costante c indipendentemente dallo stato di moto della sorgente o dell’osservatore.
Il primo postulato, noto anche come “principio di relatività speciale”, riafferma ed estende il principio di relatività di Galileo. Mentre il secondo può derivarsi dal primo ed elimina la necessità dell’etere luminifero, dando il giusto significato all’esperimento di Michelson-Morley.
Dai due postulati discende che nell’universo descritto dalla relatività speciale le misure di intervalli temporali e di lunghezze spaziali effettuate da osservatori inerziali non corrispondono necessariamente fra loro.
Dando luogo a fenomeni come la dilatazione del tempo e la contrazione delle lunghezze. Che sono espressione dell’unione dello spazio tridimensionale e del tempo in una unica entità quadridimensionale nella quale si svolgono gli eventi, chiamata cronotopo o spazio-tempo.
In questo ambito lo strumento matematico che consente il cambio di sistema di riferimento sono le trasformazioni di Lorentz, che si riducono alle trasformazioni di Galileo della fisica classica nel limite di basse velocità. La costanza della velocità della luce, inoltre, ha come conseguenza che anche a un corpo in quiete sia comunque associata un’energia. Determinando l’aspetto forse più rivoluzionario della teoria: l’equivalenza fra massa ed energia secondo la nota formula E=mc².
Spazio-tempo
Con la relatività ristretta, Einstein sostituisce lo spazio e il tempo newtoniano con lo spazio-tempo di Minkowski.
Le dimensioni sono sempre quattro, ma la novità sta nel “mescolamento” fra le tre dimensioni spaziali e quella temporale. Mentre prima la cui “separazione” variava a seconda del sistema in cui sta l’osservatore.
Da un punto di vista matematico, lo spazio-tempo di Minkowski è dotato di un prodotto scalare lorentziano, cioè con segnatura (3,1). Non avendo lo spazio-tempo un’origine preferita, si parla più precisamente di spazio affine. Questo sta a indicare che lo spazio-tempo è localmente modellato sullo spazio-tempo di Minkowski.
dotato di un prodotto scalare lorentziano, cioè con segnatura (3,1). Non avendo lo spazio-tempo un’origine preferita, si parla più precisamente di spazio affine. Questo sta a indicare che lo spazio-tempo è localmente modellato sullo spazio-tempo di Minkowski.
Le prime conferme
Nel 1919 le predizioni della relatività generale furono confermate dalle misurazioni dell’astrofisico Arthur Eddington effettuate durante un’eclissi solare. Queste misurazioni verificarono che la luce emanata da una stella era deviata dalla gravità del sole. Le osservazioni ebbero luogo il 29 maggio del 1919 a Sobral, in Brasile, e nell’isola di Príncipe.
« Max Planck non capiva nulla di fisica, perché durante l’eclissi del 1919 è rimasto in piedi tutta la notte per vedere se fosse stata confermata la curvatura della luce dovuta al campo gravitazionale. Se avesse capito la teoria, avrebbe fatto come me, e sarebbe andato a letto. »
Da allora esperimenti sempre più precisi hanno confermato le predizioni della teoria, prevalentemente nell’ambito dell’astronomia.
