La poesia del bianco e nero, l’impatto dei colori #3 – Einstein

Oggi diamo un tocco di colore al fisico più famoso di tutti i tempi.

Albert Einstein

Albert Einstein (Ulma 1879 - Princeton, New Jersey 1955) fu un fisico tedesco naturalizzato statunitense. Trascorse gli anni giovanili a Monaco, città nella quale la famiglia, di origine ebraica, possedeva una piccola azienda che produceva macchinari elettrici, e già da ragazzo mostrò una notevole predisposizione per la matematica.

Quando ripetuti dissesti finanziari costrinsero la famiglia a lasciare la Germania e a trasferirsi in Italia, a Milano, decise di interrompere gli studi. Trasferitosi in Svizzera, concluse le scuole superiori ad Arrau e si iscrisse al Politecnico di Zurigo, dove si laureò nel 1900. Lavorò quindi come supplente fino al 1902, anno in cui trovò un impiego presso l’Ufficio Brevetti di Berna.

LE PRIME PUBBLICAZIONI SCIENTIFICHE

Nel 1905 Einstein conseguì il dottorato con una dissertazione teorica sulle dimensioni delle molecole; pubblicò inoltre tre studi teorici di fondamentale importanza per lo sviluppo della fisica del XX secolo. Nel primo di essi, relativo al moto browniano, fece importanti previsioni, successivamente confermate per via sperimentale, sul moto di agitazione termica delle particelle distribuite casualmente in un fluido.

Il secondo studio, sull’interpretazione dell’effetto fotoelettrico, conteneva un’ipotesi rivoluzionaria sulla natura della luce; egli affermò che in determinate circostanze la radiazione elettromagnetica ha natura corpuscolare, ipotizzando che l’energia trasportata da ogni particella che costituiva il raggio luminoso, denominata fotone, fosse proporzionale alla frequenza della radiazione, secondo la formula E = hu, dove E rappresenta l’energia della radiazione, h è una costante universale nota come costante di Planck (vedi Max Planck), e u è la frequenza. L’affermazione, in base alla quale l’energia contenuta in un fascio luminoso è trasferita in unità individuali o “quanti”, fu confermata sperimentalmente dieci anni dopo da Robert Andrews Millikan.

LA TEORIA DELLA RELATIVITÀ RISTRETTA

Il terzo e più importante studio del 1905, dal titolo Elettrodinamica dei corpi in movimento, conteneva la prima esposizione completa della teoria della relatività ristretta, frutto di un lungo e attento studio della meccanica classica di Isaac Newton, delle modalità dell’interazione fra radiazione e materia, e delle caratteristiche dei fenomeni fisici osservati in sistemi in moto relativo l’uno rispetto all’altro.

La base della teoria della relatività ristretta, che comporta la crisi del concetto di contemporaneità, risiede su due postulati fondamentali: il principio della relatività, che afferma che le leggi fisiche hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziale, ossia in moto rettilineo uniforme l’uno rispetto all’altro, estendendo il precedente principio di relatività galileiano, e il principio di invarianza della velocità della luce, secondo cui la velocità di propagazione della radiazione elettromagnetica nel vuoto è una costante universale, che sostituisce il concetto newtoniano di tempo assoluto.

CRITICHE ALLA TEORIA DI EINSTEIN

La teoria della relatività ristretta non fu immediatamente accolta dalla comunità scientifica. Il punto d’attrito risiedeva nelle convinzioni epistemologiche di Einstein in merito alla natura delle teorie scientifiche e sul rapporto tra esperimento e teoria. Sebbene affermasse che l’unica fonte di conoscenza è l’esperienza, egli era anche convinto che le teorie scientifiche fossero libera creazione dell’uomo e che le premesse sulle quali esse sono fondate non potessero essere derivate in modo logico dalla sperimentazione. Una “buona” teoria, per Einstein, è una teoria nella quale è richiesto un numero minimo di postulati per ogni dimostrazione.

Il valore dell’attività scientifica di Einstein venne comunque riconosciuto e nel 1909 lo scienziato ricevette il primo incarico di docenza presso l’Università di Zurigo. Nel 1911 si trasferì all’Università tedesca di Praga e l’anno successivo tornò al Politecnico di Zurigo. Nel 1913 assunse la direzione del Kaiser Wilhelm Institut di Berlino.

LA TEORIA DELLA RELATIVITÀ GENERALE

A partire dal 1907, anno in cui fu pubblicata la memoria contenente la celebre equazione che afferma l’equivalenza fra massa ed energia, Einstein iniziò a lavorare a una teoria più generale, che potesse essere estesa ai sistemi non inerziali, cioè in moto accelerato l’uno rispetto all’altro.

Il primo passo fu l’enunciazione del principio di equivalenza, in base al quale il campo gravitazionale è equivalente a una accelerazione costante che si manifesti nel sistema di coordinate, e pertanto indistinguibile da essa, anche sul piano teorico. In altre parole, un gruppo di persone che si trovino su un ascensore in moto accelerato verso l’alto non possono, per principio, distinguere se la forza che avvertono è dovuta alla gravitazione o all’accelerazione costante dell’ascensore.

La teoria della relatività generale, presentata a partire dal novembre 1915, fu pubblicata nel 1916, nell’opera intitolata I fondamenti della relatività generale. In essa le interazioni dei corpi, che prima di allora erano state descritte in termini di forze gravitazionali, vengono spiegate come l’azione e la perturbazione esercitata dai corpi sulla geometria dello spazio-tempo, uno spazio quadridimensionale che oltre alle tre dimensioni dello spazio euclideo prevede una coordinata temporale.

Einstein, alla luce della sua teoria generale, fornì la spiegazione delle variazioni del moto orbitale dei pianeti, dando conto in modo soddisfacente del moto di precessione del perielio di Mercurio, fenomeno fino ad allora non pienamente compreso, e previde che i raggi luminosi emessi dalle stelle si incurvassero in prossimità di un corpo di massa elevata quale, ad esempio, il Sole. La conferma osservativa di quest’ultimo fenomeno, realizzata in occasione dell’eclissi solare del 1919, fu un evento di enorme rilevanza.

Per il resto della sua vita Einstein si dedicò alla ricerca di un’ulteriore generalizzazione della teoria in una teoria dei campi che fornisse una descrizione unitaria per i diversi tipi di interazioni che governano i fenomeni fisici, incluse le interazioni elettromagnetiche e le interazioni nucleari deboli e forti.

Tra il 1915 e il 1930 si stava sviluppando la teoria quantistica, che presentava come concetti fondamentali il dualismo onda-particella, postulato da Einstein fin dal 1905, nonché il principio di indeterminazione di Heisenberg, che fornisce un limite intrinseco alla precisione di un processo di misurazione. Einstein mosse diverse e significative critiche alla nuova teoria e partecipò attivamente al lungo e tuttora aperto dibattito sulla sua completezza. Commentando l’impostazione intrinsecamente probabilistica della meccanica quantistica, egli affermò che “Dio non gioca a dadi con il mondo”.

CITTADINO DEL MONDO

Dopo il 1919 Einstein divenne famoso a livello internazionale; ricevette riconoscimenti e premi, tra i quali il premio Nobel per la fisica, che gli fu assegnato nel 1921. Lo scienziato approfittò della fama acquisita per affermare le sue opinioni pacifiste in campo politico e sociale.

Durante la prima guerra mondiale fu tra i pochi accademici tedeschi a criticare pubblicamente il coinvolgimento della Germania nella guerra. Tale presa di posizione lo rese vittima di gravi attacchi da parte di gruppi di destra; persino le sue teorie scientifiche vennero messe in ridicolo, in particolare la teoria della relatività.

Con l’avvento al potere di Hitler, Einstein fu costretto a emigrare negli Stati Uniti, dove gli venne offerta una cattedra presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey. Di fronte alla minaccia rappresentata dal regime nazista egli rinunciò alle posizioni pacifiste e nel 1939 scrisse assieme a molti altri fisici una famosa lettera indirizzata al presidente Franklin D. Roosevelt, nella quale veniva sottolineata la possibilità di realizzare una bomba atomica. La lettera segnò l’inizio dei piani per la costruzione dell’arma nucleare.

Al termine della seconda guerra mondiale, Einstein si impegnò attivamente nella causa per il disarmo internazionale e più volte ribadì la necessità che gli intellettuali di ogni paese dovessero essere disposti a tutti i sacrifici necessari per preservare la libertà politica e per impiegare le conoscenze scientifiche a scopi pacifici.

Approfondimenti

Lettera di Einstein a Franklin D. Roosevelt

Einstein fu tra i fisici che collaborarono alla stesura di questa lettera al presidente Roosevelt, che così veniva informato della possibilità di una nuova arma molto potente e pericolosa: la bomba atomica. Nei primi giorni della seconda guerra mondiale questi fisici erano convinti che i tedeschi fossero già al lavoro sulla bomba atomica, sulla base dei risultati della ricerca francese e americana. La lettera di Einstein sicuramente contribuì a convincere il presidente Roosevelt che anche gli Stati Uniti dovevano presto sviluppare il loro programma atomico.

Albert Einstein
Old Grove Rd.
Nassau Point
Peconic, Long Island

2 agosto 1939

F.D. Roosevelt,
Presidente degli Stati Uniti,
Casa Bianca
Washington, D.C.

Signore,
i risultati di alcuni recenti lavori di E. Fermi e L. Szilard, a me pervenuti in forma di manoscritto, mi portano a ritenere che l’elemento uranio possa essere trasformato, nell’immediato futuro, in un’importante fonte di energia. Alcuni aspetti della situazione che si è creata inducono alla vigilanza e potrebbe essere necessario un pronto intervento da parte dell’amministrazione. Credo sia mio dovere portare alla sua attenzione i seguenti fatti e farle delle raccomandazioni. Durante gli ultimi quattro mesi – grazie al lavoro di Joliot in Francia e Fermi e Szilard in America – sembra sia stato possibile creare una reazione nucleare a catena in una grande massa di uranio, in cui si genererebbero un’enorme forza e grosse quantità di elementi simili al radio. Pare dunque che questo risultato sarà conseguito nell’immediato futuro.

Questo nuovo fenomeno potrebbe anche portare alla costruzione di bombe, ed è immaginabile – anche se non certo – che siano bombe estremamente potenti di un genere mai costruito. Un singolo ordigno di questo tipo, trasportato via mare e fatto esplodere in un porto, sarebbe in grado di distruggere l’intero porto e parte del territorio circostante. Tuttavia queste bombe sarebbero troppo pesanti per il trasporto aereo.

Gli Stati Uniti possiedono minerali di uranio in modeste quantità. Un certo quantitativo si trova in Canada e nella ex Cecoslovacchia, mentre le più importanti risorse sono nel Congo Belga.

In questa situazione lei potrebbe ritenere utile mantenere contatti stabili tra l’amministrazione e il gruppo di fisici che in America lavorano alla reazione a catena. Potrebbe incaricare a questo fine una persona di sua fiducia in veste non ufficiale i cui compiti sarebbero:

1. essere vicino ai dipartimenti governativi e tenerli informati dei nuovi sviluppi, fornire suggerimenti per l’azione governativa, prestando particolare attenzione al problema di assicurare una fornitura di uranio agli Stati Uniti;
2. dare impulso al lavoro sperimentale, ora portato avanti nei limiti del budget dei laboratori universitari, fornendo, nel caso, finanziamenti offerti da privati di sua conoscenza interessati a contribuire a questa causa, e cercando anche la collaborazione di laboratori industriali che abbiano le apparecchiature necessarie.

Sono a conoscenza che la Germania ha fermato la vendita di uranio delle miniere cecoslovacche, di cui ha oggi il controllo, e che forse la ragione di questa tempestiva decisione è la presenza del figlio del sottosegretario di stato, von Weizsäcker, al Kaiser-Wilhelm-Institut di Berlino, in cui vengono replicati alcuni degli esperimenti americani sull’uranio.

Sinceramente Suo
Albert Einstein

Fonti: Wired, Encarta, Libreria del Congresso