Per punirmi del mio disprezzo per l’autorità, il destino ha fatto di me un’autorità! (1930) Non ho particolari talenti, sono soltanto appassionatamente curioso. (1952)
Albert Einstein
C’era una volta… l’anno 1905. Qui inizia la favola di Albert Einstein (1879-1955), il fisico teorico, lo scienziato, l’essere umano più importante e rappresentativo del Novecento secondo il «Time» (1999) e non solo.
Capelli spettinati e baffoni a costruire l’iconografia diventata presto e ancora oggi il simbolo di una parola: genio. Perché? Come mai quest’uomo che fa le linguacce e spesso ride divertito, e divertendo a sua volta grandi platee, è finito e continua a finire su t-shirt e poster nelle camerette di mezzo mondo?
Perché nel 1905 pubblica quattro articoli che cambiano la scienza per sempre e sono a loro volta il prologo di ciò che accadrà nel 1915 con la Relatività generale e, meno importante, con il Nobel per la fisica nel 1921, di cui nel 2021 ricorre il centenario. Il Nobel non lo riceve per la Relatività ristretta o per quella generale (quest’ultima definita da Carlo Rovelli come «la più bella teoria fisica di tutti i tempi» [p.69]), ma per l’effetto fotoelettrico. Ottima scusa per dedicargli questo Speciale nell’Aula di Scienze.
La nascita del mito avviene nel 1905 e da allora quello è per tutti l’annus mirabilis, “l’anno miracoloso” di Einstein, della fisica, del Novecento.
Il tutto annunciato per la prima volta «in quella che sarebbe diventata una delle più famose lettere personali della storia della scienza» (Isaacson, Einstein, p. 93) scritta all’amico Conrad Habicht alla fine di maggio, dopo tre mesi di intenso lavoro. Vale la pena di riproporla:
Allora, come te la cavi, vecchia balena congelata, rinsecchito affumicato spirito in scatola? Perché non mi hai mandato la tua dissertazione? Non sai che io sarò una delle unovirgolacinque persone che la leggerà con interesse e piacere, vecchio relitto? Ti prometto in cambio quattro articoli. Il primo parla della radiazione, e delle proprietà energetiche della luce, ed è davvero rivoluzionario, come vedrai anche tu, se prima mi mandi il tuo lavoro. Il secondo fornisce una misura precisa della vera dimensione degli atomi… Il terzo dimostra che oggetti grandi circa un millesimo di millimetro, sospesi nei liquidi, devono produrre un movimento caotico a causa dei moti termici. Questo movimento di corpi in soluzione è già stato osservato dai fisiologi, che lo chiamano moto browniano. Il quarto articolo, solo un rozzo manoscritto al momento, è sull’elettrodinamica dei corpi in movimento, e utilizza una modifica della teoria dello spazio e del tempo.
Conrad Habicht, Maurice Solovine e Albert Einstein, i tre membri dell'Accademia Olympia che si ritrovavano quasi tutte le sere a parlare di filosofia e scienza spesso fino all’alba, mangiando salsicce e formaggi. (immagine: wikipedia)
La storia è punteggiata di “anni miracolosi”, ma per eguagliare quello di Einstein bisogna risalire al 1666, quando Isaac Newton scoprì le leggi del calcolo, dell’ottica, del moto e della gravitazione universale.
Ora andremo avanti, com’è nella natura di Pagine di scienza, consigliando e avvalendoci di alcuni libri interessanti e utili da un punto di vista didattico. Accenneremo, per motivi di spazio, a tre elementi principali:
- L’annus mirabilis (1905)
- La relatività generale (1915-16)
- Einstein pacifista, internazionalista, democratico
1905: l’annus mirabilis e la relatività ristretta
Il primo è scritto da Vincenzo Palermo, ricercatore del CNR, e si intitola La versione di Albert. Perché Einstein è un genio (Hoepli, 2016, 162 pp., euro 12,90).
L’autore è bravo ad accompagnare, in modo divertente e accessibile, tutti i lettori, anche quelli che non hanno conoscenze di fisica, nella vita, nelle idee e nel mondo di Albert Einstein. In pieno spirito einsteniano.
Così, nello specifico, ecco i quattro “annus mirabilis papers”, o “articoli dell’anno miracoloso”, pubblicati in sequenza nella rivista scientifica tedesca «Annalen der Physik». Fra virgolette il testo preso dal libro di Palermo [p. 25], che ci aiuta in questo sommario:
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- 18 marzo: Un punto di vista euristico sulla produzione e la trasformazione della luce. Si tratta dell’effetto fotoelettrico. L’articolo «risolve il mistero della natura della luce e pone le fondamenta di tutta la fisica quantistica». Come fa? Innanzitutto trattando i quanti, “pacchetti di energia” discreti inventati da Max Planck, come oggetti reali, non solo teorici. In effetti, si scoprirà che i fotoni sono reali eccome. E hanno una struttura granulare. Oggi, quando entriamo in un supermercato, le porte si aprono da sole grazie alle cellule fotoelettriche, inventate molti anni dopo questo articolo, grazie a questo articolo che sostanzialmente dice: alcune sostanze emettono elettroni (generando elettricità) quando vengono colpite da un fascio di luce. Passo avanti importante: non importa l’energia, cioè l’intensità della luce, ma la frequenza, cioè il "colore" della luce.
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- 11 maggio: Il moto di piccole particelle sospese in liquidi in quiete, secondo la teoria cinetico-molecolare del calore. Si tratta di «una spiegazione del moto browniano di piccole particelle in soluzione». Grazie al lavoro di Robert Browne nel 1827, Einstein dimostra che l’“ipotesi atomica” – nata con Leucippo (V secolo a.C) e sviluppata dal suo allievo Democrito (460 a.C.–370 a.C.) – è realtà: gli atomi esistono! E la materia è granulare. Nonostante questo, per molti anni ancora alcuni fisici di rilievo come Mach rifiutano di accettare l’esistenza degli atomi.
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- 30 giugno: Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento. Si tratta della Relatività ristretta, dove Einstein «spiega il mistero della velocità della luce, dimostrando che spazio e tempo sono relativi.» Da qui in avanti non ci sono più lo spazio e il tempo, ma lo spazio-tempo, che a sua volta introduce il concetto di “presente esteso”, cancellando per sempre l’“adesso” (l’adesso del mio qui su Marte dura 15 minuti). Con questo articolo epocale Einstein riesce a conciliare la meccanica di Newton e l’elettromagnetismo di Maxwell. Come si vedrà, quello che qui ha fatto Einstein (meccanica + elettromagnetismo) non è stato ancora fatto per quanto riguarda Relatività e meccanica quantistica, ad oggi ancora incompatibili, nonostante gli sforzi della gravità quantistica (portata alla ribalta del grande pubblico anche grazie al successo di Carlo Rovelli).
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- 27 settembre: L'inerzia di un corpo dipende dal contenuto di energia? Detto altrimenti: E =mc2, l’equazione più famosa di sempre. Questo articolo è un’integrazione all’articolo del 30 giugno e «dimostra, usando la teoria della relatività appena nata, che energia e materia sono equivalenti». Così come aveva unito spazio e tempo in una sola entità, così come prima Maxwell aveva capito che campo elettrico e campo magnetico sono facce della stessa medaglia, così ora Einstein identifica massa ed energia, e apre il Novecento all’energia nucleare.
La formula "E = mc² " è esposta in cima all'edificio Taipei 101 in onore dell'apertura dell'Anno mondiale della fisica 2005 (immagine: wikipedia)
1915-1916: la relatività generale
Vincenzo Barone, Albert Einstein. Il costruttore di universi (Laterza, 2017, 175 pp., euro 10)
Il secondo libro si intitola Albert Einstein. Il costruttore di universi (Laterza, 2017, 175 pp., euro 10). Anche questo è un testo di facile e appagante lettura, sempre pensato per un pubblico di lettori non specialisti, anche se forse un po’ più preparati.
Lo ha scritto Vincenzo Barone, professore di fisica teorica e divulgatore, autore del manuale universitario Relatività. Principi e applicazioni (Bollati Boringhieri), fra le pietre miliari dei volumi dedicati alla relatività ristretta.
Grande conoscitore dell’argomento, è un piacere avanzare con l’autore in questa selva, innanzitutto chiarendo che la relatività non dice, come hanno sostenuto alcuni filosofi o un errato senso comune, che “tutto è relativo”:
Ciò che la relatività afferma è semmai l’opposto. È vero che un fenomeno fisico è descritto diversamente da osservatori diversi, ma le leggi fisiche che governano quel fenomeno sono le stesse per tutti gli osservatori. La relatività non dice affatto che queste leggi sono relative, ma, al contrario, che sono “assolute”, nel senso che valgono per tutti. [p. 39]Consapevole della confusione che il nome della sua teoria poteva generare (nome coniato da Planck), la relatività avrebbe potuto chiamarsi Teoria dell’invarianza oppure Postulato del mondo assoluto. Ma ormai era troppo tardi. L’annus mirabilis porterà a Einstein soddisfazioni, stabilità e un assaggio di quella fama che poi sarebbe diventata mondiale e assoluta. Ma ci sono due ma, e “chi dice ma cuor contento non ha”: la relatività ristretta (1905) si applica solo ai sistemi di riferimento in moto uniforme uno rispetto all’altro. Ma noi viviamo immersi in sistemi accelerati. Inoltre,
la relatività ristretta aveva anche un altro difetto: mentre incorporava – senza alcuna modifica – l’elettromagnetismo, non era in grado di descrivere la gravità. Questa seconda limitazione – come intuì Einstein – è legata alla prima, perché non è possibile descrivere gli effetti della gravità senza prendere in considerazione dei sistemi di riferimento accelerati. [p. 57]Nella vita di Einstein si succedono anni di studio molto intenso, l’inizio della Prima guerra mondiale, e il superamento della geometria euclidea in favore del formalismo di Bernhard Riemann, in grado di descrivere spazi curvi a più dimensioni, e dell’analisi tensoriale degli italiani Gregorio Ricci Curbastro e Tullio Levi-Civita.
Einstein comprese che, così come la relatività ristretta era nata da un ripensamento radicale del concetto di tempo, la nuova teoria della gravitazione – la relatività generale – doveva nascere da un ripensamento altrettanto radicale della geometria dello spaziotempo. [p. 61]Arriviamo così, dopo dieci anni, al 25 novembre 1915, giorno in cui presentò l’ultima di quattro comunicazioni relative alla sua nuova teoria della relatività generale all’Accademia prussiana delle scienze (poi riunite e pubblicate nel 1916 in un lungo articolo sugli «Annalen der Physik»).
L’equazione – una delle più belle di tutta la fisica – mette in relazione diretta due quantità: la curvatura dello spaziotempo, da un lato, la densità di materia e di energia, dall’altro. Il quadro che emerge è il seguente. In presenza di masse e di sorgenti di energia, lo spaziotempo (la cui metrica è il campo gravitazionale) si incurva e deforma, come la superficie di un tappeto elastico. In questo spaziotempo distorto, una particella o un raggio di luce non si muovono lunga una linea retta, bensì lungo una traiettoria curva. John Archibald Wheeler, uno dei massimi studiosi di relatività, ha riassunto così la situazione: “La materia dice allo spaziotempo come curvarsi; lo spaziotempo dice alla materia come muoversi”. [p. 63-64]
Gli impulsi elettromagnetici muovendosi nello spazio-tempo curvo dovuto alla presenza di un oggetto fortemente massivo appaiono come "deviati". Nell'immagine una rappresentazione grafica di un segnale generato dalla sonda Cassini, che si propaga nello spazio curvo e viene deviato dalla gravità del Sole mentre raggiunge la Terra. (immagine: wikipedia)
Einstein per la pace
A metà strada tra i primi due libri consigliati si colloca idealmente Einstein. Vita e opere del padre della relatività (Alpha Test, 2008, 159 pp., euro 8,90) scritto dal giornalista, conduttore ed eccellente divulgatore Pietro Greco, purtroppo prematuramente scomparso all’improvviso il 18 dicembre 2020.
Come oggetto editoriale non è particolarmente accattivante (il nome dell’autore è scritto in piccolo solo nella quarta di copertina), ma è appunto l’autore a fare la differenza, con il suo sguardo capace di collocare in modo sintetico ma non superficiale i fatti in un contesto più ampio. Cioè in una prospettiva storica, oltre che scientifica.
E in effetti, presentando in modo chiaro tutti i temi affrontati fin qui, questo agile libretto mette in evidenza anche il terzo e ultimo aspetto che vorremmo segnalare: il pacifismo di Albert Einstein, scienziato internazionalista, democratico, anticapitalista, impegnato politicamente con passione, costanza e impegno, proprio come la sua grande amica Marie Curie.
Ed ecco, dunque, qual è il dovere dello scienziato. Un dovere speciale. Etico. Socializzare le sue conoscenze. Sensibilizzare e coinvolgere le grandi masse. Contrastare la visione del mondo tragica, ineluttabile, proposta dalla cultura che si sta imponendo all’alba della nuova era nucleare. E offrire una visione del mondo epica, un destino di pace da costruire con le proprie mani. Gli scienziati disinteressati e amanti della pace devono ribaltare il loro “tragico destino” e costituire il nucleo attivo di un vasto movimento internazionale di massa per il disarmo e la pace. Tragedia ed epica si rincorrono, fino alla fine, nella visione del mondo di Einstein. Delineando, ancora una volta, il dovere, speciale, dell’uomo di scienza. «Nella tragica situazione in cui l’umanità si trova – scrive nel Testamento spirituale consegnato a Bertrand Russell prima di morire – noi riteniamo che gli scienziati debbano riunirsi in conferenza per accertare i pericoli determinati dallo sviluppo delle armi di distruzione di massa e per discutere una risoluzione nello spirito del progetto annesso. Parliamo di questa occasione non come membri di questa e quella Nazione, Continente o Fede, ma come esseri umani, membri della razza umana, la continuazione dell’esistenza della quale è ora in pericolo. […] Noi rivolgiamo un appello come esseri umani a esseri umani: ricordate la vostra umanità e dimenticate il resto. Se sarete capaci di farlo vie è aperta la via di un nuovo Paradiso, altrimenti è davanti a voi il rischio della morte universale.» [pp. 149-150]
Arizona, 1931. Einstein con un copricapo di un capo indiano. (immagine: Nauka, 1989, foto VII alla fine del libro)
Greco ne ha scritto in modo più approfondito nell’altrettanto utile Einstein aveva ragione. Mezzo secolo d’impegno per la pace (Editoriale Scienza, 2012, 308 pp., euro 19), libro prezioso per gli studenti, che può essere usato anche per progetti di materie umanistiche.
Affronta un Einstein poco conosciuto, tra il pacifismo radicale nato nella Prima guerra mondiale, la convinzione amara che con Hitler fosse necessario usare la forza, il rammarico per la bomba atomica e le dure lotte per il disarmo nucleare dalla fine della Seconda guerra mondiale e per l’istituzione di un organismo transnazionale che regolasse i rapporti fra gli stati.
Un libro importante che chiunque voglia entrare nel mondo dello scienziato dovrebbe leggere, perché non di sola relatività si vive…
Segnaliamo altri libri reperibili di Pietro Greco che hanno Einstein e la fisica come protagonisti:
- Einstein e il ciabattino. Dizionario asimmetrico dei concetti scientifici di interesse filosofico (Editori Riuniti, 2000)
- Marmo pregiato e legno scadente. Albert Einstein, la relatività e la ricerca dell'unità in fisica (Carocci, 2015)
- Fisica per la pace. Tra scienza e impegno civile (Carocci, 2017)
- La scienza e l'Europa. Il primo Novecento (L’Asino d’Oro, 2018)
- Quanti. La straordinaria storia della meccanica quantistica (Carocci, 2020)
Altri libri consigliati
A chi volesse leggere qualcosa di più approfondito consigliamo l’importante e particolareggiato libro di Walter Isaacson, Einstein. La sua vita, il suo universo (Oscar Mondadori, 2010, 645 pp., euro 14), la prima biografia completa dedicata ad Einstein. L'autore, noto al grande pubblico per aver scritto la prima biografia completa di Steve Jobs, procede in ordine cronologico utilizzando centinaia di documenti anche inediti, fra cui lettere personali dei protagonisti, in un continuo scambio fra dato biografico, storico e scientifico. Consigliato anche Capire davvero la relatività. Alla scoperta della teoria di Einstein (Zanichelli, 2012, 272 pp., euro 14,30) scritto da Daniel F. Styer (1955), professore all’Oberlin College in Ohio. Il libro, apprezzatissimo dagli studenti e dai lettori appassionati ma non specialisti, nasce dalle lezioni sulla relatività che l’autore ha tenuto per circa 20 anni a un totale di 2776 studenti. Ne abbiamo già parlato qui. Chi invece volesse attingere alla fonte e misurarsi direttamente con il protagonista, può iniziare da uno di questi tre libri scritti da Albert Einstein, che in varia misura richiedono buone/solide basi di matematica e di fisica:- Le due relatività. Gli articoli originali del 1905 e 1916 (Bollati Boringhieri, 2015). Prefazione di 20 pagine di Vincenzo Barone.
- Relatività. Esposizione divulgativa e scritti classici su Spazio Geometria Fisica (Bollati Boringhieri, 2011-2015).
- Autobiografia scientifica (Bollati Boringhieri, 2014) «È un vero miracolo che i metodi moderni di istruzione non abbiano ancora completamente soffocato la sacra curiosità della ricerca: perché questa delicata pianticella, oltre che di stimolo, ha soprattutto bisogno di libertà, senza la quale inevitabilmente si corrompe e muore. È un gravissimo errore pensare che la gioia di vedere e di cercare possa essere suscitata per mezzo della coercizione e del senso del dovere.» [pp. 16-17]
