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.
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