La teoria della relatività di Einstein. L’effetto fotoelettrico
Giuffrida Farina
Il persiano Nasir Al-din (1201-1274) è stato il primo matematico a trattare una disciplina, la Trigonometria, materia ostica carica di formule pertanto non particolarmente gradita dagli studenti, che trova numerose applicazioni in àmbito tecnico ed in tantissime discipline scientifiche tra le quali la Fisica, la Topografia, la Navigazione satellitare. Ma allo studioso innanzi citato è legata una scoperta astronomica (fu il primo a sancire il movimento dei perieli dei pianeti, ovvero il moto dei punti che presentano la minima distanza dal Sole), nozione decisiva per la elaborazione della TEORIA DELLA RELATIVITA’ di Einstein. Il Quale nacque nel 1879 a Ulm, in Germania, concluse gli studi al politecnico di Zurigo nel luglio del 1900, classificandosi quarto su cinque promossi, risultando l’unico dei laureati a non ottenere un posto quale assistente[ universitario; non riuscendo ad essere assunto dall’Ateneo svizzero, dové ripiegare ad un lavoro presso un Ufficio Brevetti. Il 1905, suo “annus mirabilis”: in soli 7 mesi pubblicò 6 trattati, concernenti: il fenomeno fotoelettrico, la teoria dei moti Browniano, la Teoria della Relatività, quest’ultimo studio lo ha consacrato uno dei più eminenti e originali studiosi della storia della Fisica, pur essendo stata inizialmente osteggiata dall’ambiente accademico e scientifico.
Venne nominato professore nel 1908 presso l’Università di Berlino, dunque potè dedicarsi con costanza alla ricerca scientifica. Nella seconda metà del suo percorso esistenziale godé di fama mondiale, conseguì nel 1921 il Nobel per la Fisica. Si interessò anche di problemi politici (detestava la tirannia politica, era ardente pacifista), fervido servitore della causa Ebraica, il Sionismo, ed era dotato anche di grande senso dell’umorismo e di qualità musicali (fu valente violinista). Analizziamo adesso, in termini semplici, alcuni aspetti della Teoria della Relatività, che, in realtà, ingloba due Teorie: una Ristretta (formulata nel 1905), l’altra Generale (palesata 1915). Einstein esplicitò, nel 1905, due postulati (ossia ‘verità’ che accettiamo senza dimostrarle):1)Tutte le leggi della Fisica riguardanti i fenomeni meccanici ed elettromagnetici, rimangono inalterate, quando vengono valutate da un osservatore inerziale ovvero un riferimento immobile oppure viaggiante a velocità costante (moto rettilineo uniforme); traduzione di tale ‘Principio di relatività’:se consideriamo, ad esempio 1000 osservatori fermi, e 1000 osservatori mobili con velocità costante, non esiste alcun sistema di riferimento ‘privilegiato’ rispetto ad altri. 2)La velocità dei raggi luminosi, nello spazio privo di materia (vuoto), presenta un valore costante, in tutti i sistemi di riferimento inerziali. Questi due postulati rivoluzionarono il mondo della Fisica. La Teoria Generale della Relatività è invece lo sviluppo di una teoria coinvolgente i cosiddetti ‘campi gravitazionali’ ed i sistemi di riferimento accelerati.
La Teoria Generale della Relatività è la base di tutta la cosmologia del XX secolo; tra l’altro dimostra che l’universo ‘si allarga’, si espande, il che spiegherebbe anche l’emersione di ‘mostri astronomici inghiottenti tutto’, i buchi neri. I campi gravitazionali rappresentano l’entità di disturbi dello spazio-tempo, ma soltanto in presenza di corpi celesti adiacenti; risultato: la massa dei corpi, lo spazio-tempo e la forza gravitazionale responsabile del ‘non precipitare negli abissi cosmici dei corpi celesti’, 3 entità mutuamente interagenti, sono correlate, e l’Universo è uno “spazio-tempo curvato”. Il moto dei corpi astronomici è strettamente legato alla deformazione spazio-temporale, che si verifica a causa della interazione tra le masse di pianeti, stelle, asteroidi, comete… L’osservazione del ‘piegarsi’ dei raggi luminosi che transitano vicino al Sole, costituisce la conferma sperimentale della Teoria di Einstein.Quando un sistema aumenta la velocità,ovvero quando accelera, nascono delle Forze (Forze inerziali); ora, la –definiamola- “colla”, ovvero l’attrazione gravitazionale, non rappresenta soltanto la forza con cui tutti i corpi si attraggono: deve essere considerata come risultato della deformazione spaziale prodotta dalle masse di tutte le strutture celesti. La Teoria Generale di Einstein non solo descrive l’orbita ellittica dei pianeti, ma sancisce l’aspetto che ogni ambiente, anche sufficientemente piccolo, è un insieme di punti ciascuno dei quali presenta quattro dimensioni:il tempo e lo spazio, uniti, formano –chiamiamola– “l’Arena degli eventi reali”. Per quanto concerne la relazione più importante della storia della Fisica: E= mc2, da questa formula evinciamo che anche una piccolissima massa può convertirsi in un enorme quantitativo di energia; E= mc2 credo sia abbastanza nota,la associamo ad Einstein come simbolo, come essenza della Teoria della Relatività: intanto, storicamente, è stato l’italiano Olinto De Pretto a scoprirla per primo, MA TALE RELAZIONE MATEMATICA (EQUIVALENZA MATERIA-ENERGIA) NON HA ALCUN LEGAME CON LA TEORIA DELLA RELATIVITA’. E’ da tener presente che l’energia sprigionata da ciascuna bomba scaricata su Hiroshima e Nagasaki, equivale al peso di un solo milligrammo di materia. In sintesi: Se un corpo assorbe energia, “ingrandisce” la sua massa, e, viceversa, se cede energia, tale cessione ne riduce la massa, ad esempio l’energia irradiata dal Sole diminuisce la sua massa di molti milioni di tonnellate all’anno; la Fisica classica (della fase storica ‘pre-relatività’) non valutava alcuna variazione della massa in base alla velocità.
IL PARADOSSO DEI GEMELLI E L’EFFETTO FOTOELETTRICO. Supponiamo che ci siano due fratelli gemelli, uno dei quali si trovi su un’astronave che viaggia con una velocità quasi uguale alla velocità della luce, mentre l’altro rimane sulla terra. Trascorso del tempo, il fratello in viaggio ritorna sulla terra. Si scopre che quando i due fratelli si incontrano, colui che è rientrato dal viaggio è più giovane di quello rimasto sulla terra. Relativamente al gemello immobile, il tempo trascorre più velocemente rispetto al tempo che ‘vede trascorrere’ l’astronauta. In termini semplici, il nostro orologio gira più rapidamente:10 anni valutati trascorsi dal gemello spaziale equivalgono a 20 anni per l’uomo terrestre. Insomma, per illudersi di non invecchiare, al posto di tingersi i capelli si potrebbe prendere un’astronave… La relatività dissolve il concetto di simultaneità di eventi: non si può, in alcun modo, sostenere che ‘in un certo istante’ oppure ‘in assoluto’un gemello sia più vecchio dell’altro, dunque non è possibile sancire in maniera perentoria chi sia ‘più vecchio’ o ‘più giovane’ in assoluto. Einstein dimostrò una duplice natura della luce: la radiazione, oltre ad una ‘sembianza energetica’ (fasci di energia), presenta anche una natura corpuscolare (è costituita da particelle prive di massa, i fotoni). La sua scoperta dell’”effetto fotoelettrico” -da me illustrato nella integrante elaborazione- gli valse l’attribuzione del Nobel: concerne la trasformazione di energia luminosa (fotoni, ’particelle di luce’, incidenti su una superficie metallica) in energia elettrica (elettroni, particelle dell’atomo, emessi in seguito all’impatto). Le applicazioni del suddetto effetto riguardano la Televisione, il Cinema sonoro, i Segnalatori di allarme.
