Einstein 1905: il genio all’opera

Prima di entrare nel merito della mostra ("I giochi di Einstein", fino al 30 ottobre al Museo Tridentino di Scienze Naturali", vediamo cosa c’è dietro.

Esattamente cento anni fa Einstein pubblicò alcuni lavori su tre questioni fisiche che erano ancora insolute. Questo porta a considerare il 1905 come "annus mirabilis": un anno che rivoluzionò il modo di vedere il mondo di un intera generazione di scienziati. Vediamo queste tre questioni.

Esistono gli atomi? Oggi per noi l’idea di atomo è scontata, ma non era così ai primi del ‘900. L’idea di atomo serviva a spiegare molti fenomeni, ma nessuno ancora aveva veramente visto un atomo. Non si sapeva se avessero natura sostanziale, oppure fossero solo un’utile metafora. Per esempio, se un gas è composto di atomi in movimento, allora si capisce perchè esercita una pressione sulle pareti di un recipiente. Infatti le particelle sbattono contro le pareti e la pressione non fa che misurare l’energia cinetica provocata da questi scontri. Se il gas viene compresso, allora la temperatura aumenta: questo si spiega con l’aumento degli scontri tra gli atomi, che ora devono dividersi uno spazio più piccolo. Un po’ come una stanza sovraffollata... ma queste erano solo metafore! Eleganti, questo è certo: sicuramente permettevano una chiara idealizzazione del fenomeno. Ma la natura sostanziale degli atomi era tutta da dimostrare.

Einstein riflette sulle possibili cause dei moti Browniani. Le particelle di polline immerse in un liquido si muovono in modo molto strano. Provate a riflettere: cosa vi aspettate? Io mi aspetterei che galleggino o che vadano a fondo come un sasso. Se proprio dovessero rimanere sospese, mi aspetterei di vederle muovere come sabbia nella corrente. Cioè con una precisa direzione e velocità. Invece le particelle di polline si muovevano a scatti. Una botta a destra, poi un salto a sinistra, in su, in giù, senza nessuna regolarità. Fu Einstein che diede una interpretazione atomica del fenomeno, mostrando come il moto delle particelle fosse descrivibile matematicamente, ipotizzando che i salti fossero dovuti agli scontri - completamente casuali - delle particelle con gli atomi. La spiegazione reggeva! Per la prima volta si vedeva l’effetto dell’atomo non su fenomeni macroscopici, come pressione e temperatura, ma su fenomeni microscopici. Da allora non vi furono dubbi! Gli atomi avevano natura sostanziale, come avevano sostenuto Empedocle e Democrito 5 secoli prima di Cristo!

Cos’è la luce? Ai primi dell’800 era ormai dato per certo che la luce avesse natura di un’onda. Ovvero, non erano particelle emesse da una sorgente, come sosteneva un interpretazione meccanica, ma era energia. La dimostrazione è dovuta a Young ai primi dell’800, che riuscì a riprodurre il fenomeno dell’interferenza tra onde luminode. Per esempio, si sa due onde marine che si scontrano possono enfatizzarsi od annullarsi a vicenda. Se la luce è un’onda, deve subire le stesse interferenze che subiscono le onde del mare: ovvero due raggi luminosi possono provocare il buio. L’esperimento di Young ai primi dell’800 riuscì proprio in questo e apparentemente non potevano esserci più dubbi.

Solo che questa conclusione provocava un serio dubbio. Ogni onda ha bisogno di un mezzo per propagarsi. Il suono ha bisogno dell’aria, l’onda ha bisogno del mare. Se creiamo progressivamente il vuoto artificiale dentro una campana di vetro, sentiamo che un campanello suona con il volume sempre più basso. Manca l’aria e quindi il suono non si propaga. Invece una lampada rimane accesa e non subisce la minima conseguenza. Immaginiamo lo stupore dei nostri avi: ma allora, che cosa è che permette all’onda luminosa di propagarsi?

Inutile, non poteva essere l’aria! Doveva esserci una sostanza, l’etere, che permeava l’universo, e questo doveva essere il mezzo che permetteva alla luce di propagarsi. Nessuno l’aveva visto, annusato o toccato, ma prima o poi qualche esperimento l’avrebbe finalmente rivelato. Einstein riflette sull’effetto fotoelettrico e si chiede: come è possibile che un metallo colpito da un raggio luminoso emetta degli elettroni? Einstein invocò un principio euristico che suona grosso modo così. Supponiamo che la luce sia composta da "vere" particelle, che chiameremo "quanti", che vanno a sbattere contro l’acciaio provocando la fuoriuscita degli elettroni. Allora, tutto si spiega.

Spiega per modo di dire! Praticamente si dice: alle volte è comodo trattare la luce come un’onda, a volte è meglio considerarla composta da particelle. Questo dualismo non soddisfaceva lo stesso Einstein, che accantonò la teoria per tornarci sopra in anni successivi, probabilmente senza mai esserne veramente soddisfatto perché è una teoria dalla natura intrinsecamente ambigua. Tuttavia il suo lavoro diede il via alla ricerca sulla fisica quantistica e in fondo possiamo consolarci: dopo 40 anni un altro grande premio Nobel, Feynman, insegnava in aula: "Nessuno capisce la fisica quantistica!".

Il tempo è relativo. Nella fisica classica, quella di Galileo e Newton, il tempo era un dato assoluto, uguale per qualunque sistema di riferimento noi usiamo per i nostri esperimenti. Solo che però gli esperimenti successivi avevano portato ad una questione un po’ strana. Se noi siamo su un treno e ci cade dalla tasca un mazzo di chiavi, queste cadono esattamente sotto di noi. Né un po’ più avanti, né un po’ più indietro. Diciamo allora che le chiavi hanno velocità orizzontale nulla, mentre la velocità verticale è descritta dal moto di caduta dei corpi. Se il treno fosse trasparente, un individuo fermo su di una banchina vedrebbe le chiavi cadere un po’ più avanti rispetto al suo sistema di riferimento, per effetto del movimento del treno. Quindi la velocità orizzontale delle chiavi dipende dal punto di vista di chi osserva. E’ nulla per chi è seduto sul treno, è maggiore di zero ed uguale alla velocità del treno per chi è seduto su di una banchina.

Questo principio implica che non esiste una velocità massima. Supponete di vedere un corpo muoversi a 100 Km/orari: potete vedere aumentare la velocità del corpo muovendovi in senso opposto ad esso. In questo caso la velocità relativa del corpo è la somma della sua velocità più la vostra!

La cosa sorprendente della fisica dell’800 è che per quanto ci si sia sforzati con esperimenti sempre più ingegnosi, la velocità della luce risultava identica qualunque fosse il sistema di riferimento venisse scelto. La cosa intrigava non poco, al punto che si scomodò l’onnipresente etere per spiegare una sorta di sistema di riferimento privilegiato che permetteva il fenomeno.

La soluzione che propose Einstein fu semplicemente di riscrivere tutta la meccanica classica, ammettendo che la velocità della luce fosse identica in tutti i sistemi di riferimento. Ma se questo doveva essere vero, allora il tempo non poteva essere più considerato identico per tutti, ma doveva essere proprio di ogni sistema di riferimento. Nella nostra vita reale non significa che se andiamo veloci viviamo di meno o di più, la velocità della luce è troppo alta rispetto alla nostra. Però, se potessimo vivere per un istante alla velocità della luce, sulla terra potrebbe essere passata un intera generazione.

L ’eredità di Einstein. Einstein è un’icona del ‘900, certo! Questi lavori sono stati ideati mentre Einstein lavorava nel mitico ufficio brevetti di Zurigo. E’ ovvio per noi associare ad Einstein il mito della genialità, che si esprime libera anche al di fuori delle Accademie, fino al suo generale riconoscimento. Cosa resta oggi di questa parabola?

L’idea dello scienziato artigiano, che si costruisce da solo le proprie macchine, sembra completamente desueta e sopravvissuta solo al cinema, grazie alla serie "Ritorno al futuro". Oggi i mass-media prediligono dipingere lo scienziato come l’imprenditore della conoscenza, come il manager che richiede soldi e macchinari sempre più sofisticati e costosi. Oppure, variazione sul tema, salvatore della patria nella competizione economica. Per fortuna non è così.

Per fortuna l’eredità di Einstein è ancora viva. Ci sono molti settori scientifici dove la scoperta, l’intuizione e la creatività non coinvolgono massicci investimenti e la fantasia dello scienziato può ancora trovare realizzazione.

Vi propongo un gioco. Scegliete sul mappamondo 10 città a caso. Adesso cercate il percorso più breve che colleghi le 10 città e vi faccia ritornare al punto di partenza. Trovarne uno qualsiasi non è difficile. E’ trovare il più breve che è incredibilmente ostico! Credete sia un giochino? Pensate a tutte le imprese di trasporto e ai costi di carburante impliciti in questi problemi.

Questi problemi, che tecnicamente implicano variabili intere 1=prendo questa strada, 0=non la prendo, sono tra i più intriganti tra quelli che la scienza ci può proporre e derivano dal connubio tra mondo reale e matematica, esattamente come sei secoli fa le equazioni del moto. Per affrontarli, basta avere un calcolatore e sapere qualche rudimento di programmazione. Chissà se nella mia vita troverò un Einstein che riuscirà a dimostrare o confutare la congettura P=NP!

La mostra "I giochi di Einstein" Per celebrare il centenario dell’annus mirabilis einsteniano, il Museo di Scienze naturali di Trento ha allestito una mostra che riproduce i più importanti esperimenti scientifici dell’epoca. Si possono così osservare le prime attività ludiche dello scienziato, attraverso prove costruttive del teorema di Pitagora o il giro della morte in una pista di biglie, fino agli esperimenti che spiegano la natura delle onde o la struttura atomica della materia. Si conclude con il suggestivo effetto di un autobus lanciato alla velocità della luce per osservare la curva "spazio-tempo".

La mostra ha un chiaro scopo didattico e divulgativo: l’ideale complemento di un corso scolastico di matematica. Ma non prendetela con sufficienza! Spiegati e visti dal vivo, gli esperimenti sono veramente stupefacenti. Sentiamo improvvisamente tutta la curiosità dello scienziato che per primo dovette interrogarsi sul fenomeno.

Con l’estate, il museo offre una magnifica aria condizionata: pagate 8 euro per l’intera famiglia più 1 euro per la visita guidata (che è più che raccomandata!). In cambio riceverete una mezza giornata assolutamente unica. Una valida alternativa a Gardaland!