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Einstein e la teoria della relatività - Luca Maggioni

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Albert Einstein

 

 

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Albert Einstein é una delle figure principali della scienza moderna perchè, all'inizio del 1900, ha completamente rivoluzionato concetti di base quali : tempo, spazio e e energia.

Nacque il 14 marzo  del 1879 da una famiglia ebrea a Ulma nel GermaniaMori a  Princeton nello stato nel New Jersey (U.S.A) il 18 aprile 1955.

Nel 1880 si trasferì a Monaco, con la sua famiglia, dove lo zio e il padre aprirono una piccola azienda elettronica che fallì pochi anni dopo. A causa di questo fallimento la famiglia di Albert si spostò in Italia insistendo perché lui finisse i suoi studi in Germania, ma Albert li raggiunse pochi mesi dopo senza aver conclusi i suoi studi a Monaco. Completò l'istruzione scolastica a Zurigo diplomandosi nel 1900 all’Università di Zurigo .

Nel periodo dal 1902 al 1909 trovò lavoro in un ufficio brevetti e contemporaneamente scrisse tre articoli che lo fecero diventare uno di più importanti scienziati al mondo. Nel 1905 consegui il dottorato di fisica all’Università di Zurigo e nel 1914 si trasferì a Berlino come membro dell'accademia prussiana delle scienze.

 

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Nel 1916 Einstein pubblica un articolo sulla teoria della relatività generale che nel 1921 gli permise di ottenere il premio NOBEL PER LA FISICA.

 

 

 

 

Nel 1933 a causa della sue origini ebree fu costretto ad abbandonare la Germania e a trasferirsi a Princeton ( U.S.A.), dove mori venti anni più tardi.

 

 

   

 

 

Da Newton alla

teoria della relatività

 

 Spazio & tempo

 

 

 

 

 

 

 

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 Prima della scoperta della teoria della relatività la comprensione dell’universo e del mondo circostante si basava su alcuni “assunti” fondamentali:

  1. Lo spazio e tempo erano assoluti;
  2. Materia ed energia non potevano essere create o distrutte ma solo trasformate.
  3. La luce era  corpuscolare 

  

Einstein trasformò questa visione in modo radicale. Un esempio classico per dare l'idea di questa trasformazione è quello dell’astronave. 

 

Supponiamo che la velocità dell’ Enterprise, misurata dal marziano che si trova sulla stazione spaziale, sia di 100 metri al secondo. Per il marziano che viaggi nella stessa direzione rispetto al moto dell’ Enterprise alla velocità di un metro al secondo la velocità dell’ Enterprise sarà di 99 metri al secondo, mentre per il secondo marziano ( quello che viaggia in direzione opposta) la velocità dell’ Enterprise sarà di 101 metri al secondo ( la somma delle due velocità).

Secondo le teorie scientifiche precedenti alla teoria della relatività di Einstein tali “velocità relative” erano illusorie. Tenuto conto delle diverse direzioni, sia per il Capitano della astronave Enterprise che per i marziani la velocità dell’ Enterprise era sempre di 100 metri al secondo. Si pensava che la velocità di qualsiasi oggetto o fenomeno venisse calcolata sempre nello stesso modo.

Immaginiamo l’astronave “Enterprise” che viaggia nello spazio. Supponiamo che a guardare ci siano tre marziani; due a bordo di altre due astronavi (una che viaggia alla  velocità di un metro al secondo in direzione  dell’astronave “Enterprise” l’altra che viaggia sempre a un metro al secondo ma in allontanamento dalla astronave “Enterprise”) e uno che guarda da una stazione spaziale. 

                                                                         
   

Massa & energia

 

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Massa ed energia obbedivano ai principi di conservazione: “la materia (e l’energia) non può essere ne creata ne distrutta, quindi la materia ( e l’energia) presente nell’ universo è sempre la stessa".

Se un tronco d’albero brucia, il fuoco trasforma in carbone e in gas di combustione; ma alla fine il peso totale dei materiali bruciati è il medesimo di quello del tronco originario

Per l’energia vale lo stesso principio. In natura esistono diversi tipi di energie (cinetica, acustica, termica, ecc); queste energie, non si creano e non si distruggono ma si possono scambiare fra loro. Consideriamo ad esempio l’energia del moto (cinetica). Un corpo leggero come un tappo di sughero che galleggia su un fiume possiede poca energia cinetica, mentre un corpo pesante, come un masso, che precipita da un pendio possiede molta energia cinetica. Se durante la caduta il masso va a sbattere contro un albero, una parte della sua energia cinetica si trasforma in energia meccanica (abbatte l’albero) e un’altra in energia acustica (il rumore dello schianto). Alla fine la somma delle varie energie sarà uguale a quella originaria del masso.

In termini matematici e M è la massa di un oggetto e V la sua velocità la formula che descrive è E=m x 1/2V al quadrato.

 


   

La luce

 


Per migliaia di anni, da Aristotele a Newton, i filosofi e i matematici hanno sempre pensato che la luce fosse fatta di minuscole particelle, emesse o riflesse da oggetti visibili e quindi percepite dai nostri occhi. Newton aveva spiegato anche che questi corpuscoli avevano diverse dimensioni; i più grandi determinano i colori più forti come il rosso e i più piccoli i colori più tenui come l’azzurro.

Quest’idea è durata fino al 1773 quando un medico e scienziato dilettante Thomas Young asserì che la luce era formata da onde e non da particelle e che i colori della luce consistono in diverse frequenze di vibrazione. Quest’idea venne poi confermata nella metà dell’ottocento dallo scozzese James Maxwell con le sue teorie sull’elettromagnetismo.

Gli studiosi di fisica della fine dell’Ottocento e inizi del Novecento (tra cui Einstein) si posero subito un altro problema: Se la luce è un’onda; come possono, queste onde, viaggiare nel vuoto dello spazio e raggiungere la terra? Come possiamo vedere la luce di una stella? Le onde hanno bisogno di un mezzo in cui viaggiare: le onde sonore attraverso l’aria, le onde marine attraverso l’acqua, le ondulazioni di una coperta attraverso la coperta stessa. Come è possibile che le onde possano viaggiare nel vuoto? I fisici del tempo ipotizzarono che la luce viaggiasse attraverso un mezzo non individuabile, inodore, incolore e privo di densità che chiamarono “etere”. Subito però cominciarono a nutrire qualche dubbio sulla presenza dell’etere.

Infatti se la luce era un’onda che si propagava attraverso un mezzo chiamato etere, allora, se fossero stati validi i principi della fisica fino ad allora conosciuti, la velocità della luce avrebbe dovuto apparire maggiore a chi viaggiasse in direzione opposta della velocità della luce e inferiore se viaggiasse nella stessa direzione.

Nel 1881 due fisici Albert Michelson e Edward Morley diedero il via a una serie di esperimenti che speravano di spiegare l’esistenza e la natura dell’etere.

 

 

 

La teoria della relatività

 

 

Conseguentemente all’esperimento di Morley e Michelson Einstein ipotizzò che lo spazio e il tempo non fossero più assoluti. In conseguenza a queste ipotesi le persone non avrebbero concordato sulla lunghezza, larghezza e profondità degli oggetti o sulla durata degli eventi nel tempo. Partì dal presupposto che le leggi della scienza dovrebbero apparire identiche a tutti gli osservatori in moto rettilineo uniforme, in particolare essi dovrebbero misurare la medesima velocità della luce a prescindere dalla velocità a cui si muovono. La velocità della luce è indipendente dal loro moto ed è la stessa in tutte le direzioni. 

Si deve abbandonare l'idea che vi sia una grandezza "tempo" uguale per tutti e misurata nel medesimo modo da tutti gli orologi. Ciascuno ha il suo "tempo" personale e i tempi "personali" di due individui sono gli stessi solo se i due individui  sono fermi l'uno rispetto all'altro. 

Detto in un altro modo: 

Siccome la velocità della luce rimane invariata per tutti gli osservatori allora le velocità relative dei singoli osservatori non sono più rilevanti e quello che varia è la percezione del tempo e dello spazio che si modificano in modo tale da lasciare invariata la velocità della luce. 

Se una persona aumenta molto la propria velocità la sua percezione di un centimetro o di un secondo "si contrae" di un fattore che dipende dal rapporto tra velocità della persona e la velocità della luce.

 

Ma di quanto si contraggono il tempo e lo spazio ?

Per poter spiegare questo fenomeno Einstein utilizzò il concetto di "fattore di contrazione".

 

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La grande intuizione di Einstein è stata quella di capire che l’energia e la massa, quindi la materia, sono due forme diverse della stessa cosa. 

Quella che è chiamata comunemente materia non è altro che energia concentrata e solidificata. La formula ci dice che la materia, può essere trasformata in energia e l’energia può essere trasformata in materia. La distinzione fra le due cose è semplicemente quella di uno stato temporaneo.

Il suo ragionamento è stato all’incirca il seguente: poiché la massa di un corpo in movimento aumenta via via che aumenta il suo moto, e poiché il moto è una forma di energia (energia cinetica), l’aumento di massa di un corpo in movimento proviene dall’aumento della sua energia. In breve, la massa non è altro che energia! Con relativamente pochi e semplici passaggi matematici, Einstein trova allora il valore della massa, m, equivalente a qualsiasi quantità di energia, E, e lo esprime con la formula E=m c2.Alla base della teoria della relatività vi è la nota la formula e=mc2

e= energia

m= massa

c = velocità della luce ( trecento mila km al secondo )

Una delle implicazione della teoria è che la massa e l'energia si equivalgono e che la velocità della luce è la stessa per tutti gli osservatori.


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 APPROFONDIMENTO

"Dieci e Lode in scienza" da L'Internazionale del 25 gennaio 2008: La teoria della relatività

Se Charles Darwin con la teoria della relativita fu protagonista del 1800 Albert Einstein con la teoria della relatività rivoluzionò la scienza del 1900.

la teoria della relatività fu pubblicata in due parti; la prima nel 1905 (teoria della relatività speciale)  dimostrava che il tempo e la distanza non sono assoluti ma dipendono dal movimento dell' osservatore.

 

La seconda parte della teoria della relatività fu pubblicata nel 1915  (teoria della relativita generale). Con questa seconda parte venne introdotta nel modello teorico anche la gravità e si dimostrò che il campo gravitazionale di oggetti pesanti ( come i pianeti) distorce il tessuto dello spazio-tempo. La teoria della relatività supero il suo primo test nel 1919 durante una eclissi di sole quando si osservò che la luce delle stelle lontane veniva "piegata" dalla gravità del sole.

Dato che la teoria della relatività mostra i suoi effetti a velocità elevate ( prossime a quelle della luce), nella vita di tutti i giorni è difficile verificarne i suoi effetti.  Nonostante ciò vi sono applicazioni pratiche nel campo della tecnologia spaziale ( GPS). 

 

 

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