CONSIDERAZIONE SU I PRINCIPI BASE DELLA FISICA

 Questa volta con il mio amico Giorgio lo spunto per la chiaccherata non è stata economico o politico, lo abbiamo avuto da una scritta su una serranda: E=mc². E’ una formula molto nota, moltissimi la sanno leggere “Energia=massa per la velocità della luce al quadrato”, qualcuno la identifica con Einstein e, a meno di non incontrare un professore di fisica, molto pochi sanno dare una risposta esauriente. Scartabellando libri e navigando in Internet abbiamo provato a capirci qualcosa.

   AAR Considerato che parleremo di fisica, cominciamo con un riferimento letterario: E’ vero che Giovanni Papini, grande scrittore italiano del 900, ha intervistato Einstein?

GZ  Tra i molti suoi libri c’è “GOG” ovvero il libro delle interviste impossibili. GOG è una sorta di “giornalista pazzoide” che immagina di intervistare, tra l’altro Einstein e gli fa enunciare una teoria che ha guidato le ricerche di molti Premi Nobel della fisica.Einstein, tradotto da GOG/Papini dichiara: “L’ultima mia scoperta è la teoria del campo unitario. Oramai, spazio, tempo, materia, energia, luce elettricità, inerzia, gravitazione non sono che nomi diversi d’una medesima e omogenea attività. Tutte le scienze si riducono alla fisica e la fisica si può ormai ridurre a una sola formula. Questa formula, tradotta in linguaggio volgare, direbbe all’incirca così: Qualcosa si muove. Queste tre parole sono la sintesi ultima del pensiero umano”.

AAR Volendo trattare un argomento molto complesso, mi viene in mente un altro celebre aforisma di Papini: “Ci son di quelli che non dicono nulla, ma lo dicono bene; ce n'è altri che dicono molto ma lo dicono male; i peggiori son quelli che non dicono nulla e lo dicono male.”…

GZ  … speriamo di appartenere ad una quarta categoria: “Quelli che sanno poco e cercano, studiano e si danno da fare per aumentare il loro sapere e per condividerlo con gli altri.

AAR Come vogliamo organizzare questa chiaccherata sugli sviluppi della fisica?

GZ Proveremo a fare un viaggio nella fisica moderna che parte da Galileo per arrivare alla Relatività di Einstein.

    AAR Forse, per cominciare sarebbe utile fissare alcuni concetti e definizioni base che poi ricorrono nel seguito. Per es. cosa è un sistema di riferimento?

GZ  Sistema di riferimento o sistema di coordinate serve per identificare la posizione di un oggetto, fermo o in moto, rispetto ad un punto fermo. Il metodo più semplice è quello degli assi cartesiani, cioè tre linee immaginarie che come spigoli di una scatola partono dall’angolo in basso a sinistra della scatola: la distanza da i tre assi/spigoli identifica la posizione dell’oggetto e, se l’oggetto è in movimento, la direzione del moto e la legge del moto nel tempo permettono istante per istante di capire dove è l’oggetto.

AAR Credo che sarebbe bene definire anche il principio di inerzia.

GZ  Il Principio di inerzia ci dice che l’oggetto nella scatola non cambia posizione e/o non cambia la sua velocità regolare (cioè rettilinea ed uniforme) finchè non interviene una forza, di qualsiasi natura, che gli fa cambiare il modo di star fermo o muoversi. Il viaggiatore in un treno che corre è fermo rispetto al treno. Quando il treno affronta una curva, il viaggiatore, soggetto alla forza centrifuga quindi una esterna, viene spinto verso l’esterno della curva.

AAR E come si applica il principio di inerzia ad un insieme di cose che per comodità potrei chiamare sistema?

GZ  Un sistema inerziale è l’insieme di “scatole” che si muovono l’una rispetto all’altra o anche una dentro l’altra. Se l’osservatore è dentro la scatola, per esempio il viaggiatore in treno, è fermo rispetto alla sua scatola/treno, ma è in moto rispetto ad un osservatore fermo in banchina. Ed anche la distanza tra due viaggiatori sul treno è costante (invariante), mentre la distanza dall’osservatore in banchina varia. Il viaggiatore che cammina lungo il treno, sia nella direzione di marcia che al contrario, ha una stessa velocità rispetto al treno. Ma rispetto all’osservatore in banchina si allontana più velocemente se si sposta verso la carrozza di testa del treno.

AAR  La Meccanica classica, i cui principi risalgono a Galileo, come considera i sistemi inerziali?

GZ   Si considera che in un sistema inerziale variano le posizioni e le velocità degli oggetti, mentre lo scorrere del tempo è uguale per tutti. Se un viaggiatore ed una persona a casa sincronizzano i loro orologi, dopo un giorno di spostamenti e viaggi i loro orologi saranno ancora sincronizzati. In termini matematici il tempo è invariante rispetto ai sistemi inerziali.

AAR Nella formula che abbiamo visto all’inizio di questa chiaccherata c’è il simbolo “c”, quasi tutti lo identificano con la velocità della luce, ma esattamente cosa significa?

GZ  Gli scienziati sono riusciti a dimostrare matematicamente, cioè sulla carta, che la velocità della luce, indicata appunto con la lettera “c”, è una costante universale. Studi successivi sono stati in grado di dimostrare sperimentalmente che la velocità della luce è effettivamente uguale a quella che la matematica aveva calcolato. Il valore di “c” è 299.792 Km/sec , cioè più di un miliardo di km/h.

AAR  “m” è un altro simbolo nella famosa formula : E=mc² che forse è utile precisare.

GZ   Spesso si fa confusione, per un oggetto fisico, tra massa e peso. La massa di un oggetto è un valore fisso legato alla sua costituzione fisico/chimica mentre il peso è la “forza” che assume la massa quando è soggetta alla attrazione terreste secondo la regola scoperta dal grande Newton e che dice che la forza di attrazione dipende da due fattori: il corpo che cade e la Terra che lo attrae. Infatti secondo una nota canzoncina di Domenico Modugno   “il peso sulla Luna è la metà della metà” anzi, più esattamente, è circa 1/6 ..., ma è una finta cura dimagrante. La massa di un corpo rimane sempre la stessa, mentre il peso, cioè la forza che “fa cadere” la massa, è più piccolo perché la Luna è più piccola della Terra ed esercita quindi una attrazione minore.

AAR Nella fisica classica esiste una regola che lega l’Energia di un corpo in movimento?

GZ   La legge matematica che lega i valori di Enargia, Massa e velocità ci dice che 

       Questa formula, per uno oggetto di massa prestabilita, dice che a qualsiasi variazione della velocità anche l’energia dell’oggetto aumenta, cioè aumenta la sua “energia cinetica” Per es. un proiettile lanciato con una mano al massimo può fare un livido, ma se lo spariamo con fucile assume una velocità molto alta e ….ci passa da parte a parte. La stessa regola matematica ci dice che se vogliamo aumentare la velocità di un oggetto dobbiamo aumentare l’energia che spinge l’oggetto.

AAR Bene. Parlando di Einstein spesso si sentono ripetere due concetti: Relatività ristretta e Relatività generale: ma che vuol dire?

GZ    Le regole della Relatività ristretta si applicano a corpi in moto a velocità molto lontane dalla velocità della luce. Man mano che la velocità si avvicina a quella della luce occorre rivedere tutti i calcoli sulla base delle regole della Relatività Einsteniana. Secondo queste regole anche il tempo, cioè gli orologi sincronizzati degli esempi precedenti, cambiano il modo di funzionare ed occorre rivedere le nuove leggi che regolano i sistemi in moto.

AAR  Finalmente siamo arrivati a Einstein. Ma è vero che quello che lui aveva dimostrato matematicamente è stato poi dimostrato sperimentalmente?

GZ   A questo punto ti devi fidare della mia parola: Le nuove regole che guidano la relatività di Einstein sono state matematicamente ed praticamente provate, ma non è facile raccontarle in modo semplice.

AAR  Da cosa è partita l’intuizione di Einstein?

GZ    Einstein, usando gli studi precedenti dell’olandese Lorentz (1853–1928) arrivò a definire la nuova legge dell’energia cinetica valida per oggetti che viaggiano a velocità molto vicine a quelle della luce (“c”). La nuova formula di Einstein  lega energia, massa e velocità di tutti gli oggetti in moto sulla terra e ci dice quanta energia ha un corpo in moto ed anche quanta energia serve per variare la velocità di quel corpo

AAR  Bene, ma in pratica questa formula cosa vuol dire?

GZ    I fisici ed i matematici hanno molto lavorato su questa formula e, senza voler entrare nei meandri delle formule matematiche, sono arrivati a conclusioni vere e dimostrate. La prima è l’esattezza della famosa formula della “bomba atomica” E=mc².  Una seconda importante deduzione è che la formula di Einstein diventa la formula tradizionale dell’energia cinetica quando si parla degli oggetti “lenti”, cioè della maggior parte delle cose di questo mondo che viaggiano a velocità molto lontane di quella della luce.

AAR  Ma da tutto questo come si dimostra che un oggetto con una sua massa non può mai superare la velocità della luce?

GZ   Chi ha un po di esperienza con le formule può dedurlo dalla formula di Einstein infatti l'espressione al denominatore della formula si annulla quando la velocità dell’oggetto è uguale a quella della luce e questo, matematicamente, fa assumere un valore infinito all’energia necessaria per aumentare ancora la velocità. Tutti gli altri lettori meno votati alle formule sono pregati di credermi sulla parola.

AAR. Forse a questo punto è utile una ulteriore precisazione sulla velocità della luce…

GZ   Certamente è importante sottolineare che oggi alla velocità della luce oggi viaggia solo …la luce. A questa velocità si avvicinano solo piccole particelle interne agli atomi.Per avere una idea pratica di quanto è mostruosa la la velocità della luce, si tenga presente che un razzo che parte dalla Terra, cioè uno degli oggetti reali più veloci, viaggia solo a 40.000 km/h, cioè circa un centomillesimo della velocità della luce.

AAR  E’ stata una chiaccherata molto istruttiva, la materia è sicuramente interessante e complessa da capire e quindi da spiegare. Se riusciremo a diradare la nebbia che si è addensata in noi nello sforzo di comprendere la fisica contemporanea, cercheremo di addentrarci ulteriormente nel mondo governato da “oscure” leggi fisiche e matematiche.