Einstein e la formula dell’energia E=mc²

Fisico tedesco, premio Nobel Data di nascita 14 marzo 1879 Dati sintetici Fisico tedesco, premio Nobel Data di nascita 14 marzo 1879 Luogo di nascita Ulm - Germania Data di morte 18 aprile 1955 Luogo di morte Princeton - Stati Uniti Causa Emorragia da aneurisma  

Albert Einstein, nasce il 14 marzo del 1879 a Ulm, in Germania. Il piccolo Albert è per istinto un solitario ed impara a parlare molto tardi. L'incontro con la scuola è da subito difficile e trova le sue consolazioni a casa, dove la madre lo avvia allo studio del violino, e lo zio Jacob a quello dell'algebra. Da bambino legge libri di divulgazione scientifica con quella che definirà "un'attenzione senza respiro". Odia i sistemi severi che rendono la scuola del suo tempo simile ad una caserma. Nel 1894 la famiglia si trasferisce in Italia per cercare miglior fortuna con una fabbrica a Pavia ma dopo poco gli affari della fabbrica cominciano ad andare male e Hermann Einstein esorta il figlio Albert a iscriversi al famoso Istituto noto come Politecnico di Zurigo. Non avendo però conseguito un diploma di scuola secondaria superiore, nel 1895 deve affrontare un esame di ammissione: viene bocciato per insufficienza nelle materie letterarie ma il direttore del Politecnico, impressionato dalle non comuni capacità mostrate nelle materie scientifiche, esorta il ragazzo a non rinunciare e a ottenere un diploma abilitante per l'iscrizione al Politecnico nella scuola cantonale svizzera progressiva di Aargau. Qui Albert Einstein prende una prima decisione: non farà l'ingegnere bensì l'insegnante. Nel corso dei suoi studi a Zurigo matura la sua scelta: si dedicherà alla fisica piuttosto che alla matematica.

Nel 1905 pubblica tre studi teorici. Albert Einstein si laurea al Politecnico di Zurigo nel 1900. Prende dunque la cittadinanza svizzera per assumere un impiego all'Ufficio Brevetti di Berna. Il modesto lavoro gli consente di dedicare gran parte del suo tempo allo studio della fisica. Nel 1905 pubblica tre studi teorici. Il primo è relativo al moto browniano. Il secondo studio, sull'interpretazione dell'effetto fotoelettrico, contiene un'ipotesi rivoluzionaria sulla natura della luce Il terzo e più importante studio è del 1905, e reca il titolo "Elettrodinamica dei corpi in movimento": esso contiene la prima esposizione completa della teoria della relatività ristretta. E' proprio quest'ultimo studio che porterà Albert Einstein a conseguire il premio Nobel per la Fisica nel 1921.

La grandezza di Einstein consiste nell'avere cambiato in maniera radicale le metodologie di interpretazione del mondo della fisica. La sua fama crebbe enormemente e in modo sempre crescente dopo l'assegnazione del Nobel ma soprattutto grazie all’originalità della sua Teoria della relatività. Il contributo di Einstein al mondo della scienza, e a quello della filosofia, ha prodotto una rivoluzione che nella storia trova paragone solo in quella prodotta dal lavoro di Isaac Newton. Il successo e la popolarità acquisite da Einstein sono state un evento del tutto insolito per uno scienziato e non si arrestarono nemmeno durante gli ultimi anni di vita, tanto che in molte culture popolari il suo nome divenne, e ancora oggi è così, sinonimo di genio e di grande intelligenza. Sono rimaste celebri molte frasi di Einstein come ad esempio "Solo due cose sono infinite, l'universo e la stupidità umana, e non sono sicuro della prima". Anche il suo volto e le sue fattezze sono diventati uno stereotipo simboleggiante proprio la figura dello scienziato geniale; un' esempio celebre è il personaggio del Dottor Emmett Brown della saga di "Ritorno al Futuro", film dove tra l'altro il cane dell'inventore, si chiama proprio Einstein.

In uno dei rivoluzionari articoli scientifici pubblicati da Albert Einstein nel 1905, venne presentata la formula E=mc2, dove "E" indica l'energia, "m" la massa e "c" la velocità della luce nel vuoto. Questa equazione descrive la relazione esistente fra l'energia e la materia, facendoci dedurre in sostanza che l'energia e la materia sono interscambiabili.

La prima cosa da fare per riuscire a comprendere l’equazione è definire le variabili presenti : La velocità della luce, c, normalmente viene intesa come costante che assume un valore pari a 3,00x108 metri al secondo. Nell'equazione viene elevata al quadrato, in base alla seguente proprietà principale dell'energia: per muoversi al doppio della velocità di un altro, un oggetto deve utilizzare il quadruplo dell'energia. La velocità della luce viene utilizzata come costante perché trasformando la massa di un oggetto in pura energia quest'ultima si muoverebbe alla velocità della luce.

Comprendiamo ora che cosa si intende per energia: In natura esistono molte forme di energia: termica, elettrica, chimica, nucleare e molte altre. L'energia viene trasferita fra sistemi, cioè viene fornita da un sistema che a sua volta la preleva da un altro. L'unità di misura dell'energia è il joule (J). L'energia non può essere creata né distrutta, può solo essere trasformata. Ad esempio, il carbone possiede una notevole quantità di energia che sprigiona sotto forma di calore quando viene bruciato.

Definiamo il significato di massa: È importante comprendere che la massa e il peso di un oggetto sono due grandezze fisiche diverse. Il peso è dato dalla forza di gravità che viene esercitata sull'oggetto, mentre la massa è la quantità di materia presente nell'oggetto. La massa può essere modificata solo alterando fisicamente l'oggetto, mentre il peso varia al variare della forza di gravità esercitata sull'oggetto. La massa si misura in chilogrammi (kg) mentre il peso si misura in newton (N).

Ci sono anche altre definizioni di massa, come la "massa invariante" e la "massa relativistica": la prima è la massa che rimane invariata, non importa quale quadro di riferimento si usi; la massa relativistica invece dipende dalla velocità dell'oggetto. Nell'equazione E=mc2, m si riferisce alla massa invariante. Questo significa che la massa non cresce con la velocità, contrariamente alla credenza popolare. Come nel caso dell'energia, la massa non può essere creata o distrutta, ma solo trasformata.

L'energia e la massa sono equivalenti. L'equazione in oggetto afferma chiaramente che la massa e l'energia rappresentano la stessa cosa, ed è altresì in grado di fornirci la quantità esatta di energia contenuta all'interno di una determinata massa. In sostanza la formula di Einstein indica che una piccola quantità di massa contiene al suo interno una grande quantità di energia.

APPLICAZIONI NEL MONDO REALE: La maggior parte delle forme di energia consumate nel mondo reale deriva dalla combustione di carbone e gas naturale. Queste sostanze, bruciando, traggono un vantaggio dai loro elettroni di valenza (gli elettroni collocati nello strato più esterno di un atomo) e dal legame che hanno con gli altri elementi. Quando viene aggiunto calore, questo legame si rompe e l'energia liberata è quella che viene utilizzata per alimentare la nostra società. Il metodo con cui si ottiene questo tipo di energia non è efficiente e, come tutti sappiamo, costa molto in termini di impatto ambientale.

Applichiamo l'equazione più famosa di Einstein per ottenere energia in modo molto più efficiente: La formula E=mc2 mostra che la quantità di energia contenuta nel nucleo di un atomo è molto superiore a quella contenuta nei suoi elettroni di valenza. La quantità di energia rilasciata dalla suddivisione di un atomo in parti più piccole è di gran lunga superiore rispetto a quello ottenuta dalla rottura dei legami che trattengono i suoi elettroni Il sistema di energia che si basa su questo principio è quello nucleare. In un reattore nucleare si causa la fissione del nucleo (cioè la frammentazione in parti più piccole) per poi incamerare l'enorme quantità di energia rilasciata.

Scopriamo le tecnologie rese possibili dalla formula E=mc2: La scoperta dell'equazione E=mc2 ha reso possibile la creazione di nuove tecnologie, molte delle quali sono oggi alla base della nostra vita: PET: tecnologia medica che utilizza la radioattività per eseguire una scansione interna del corpo umano. Ha permesso di sviluppare le telecomunicazioni satellitari e i veicoli per l'esplorazione spaziale. La datazione con il radiocarbonio determina l'età di un oggetto antico sfruttando il decadimento radioattivo basato proprio sull'equazione di Einstein. L'energia nucleare è una forma di energia più efficiente e pulita utilizzata per alimentare la nostra società.

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