Vita, morte e miracoli di un fuoriclasse.

 

Il 25 novembre 1915 di fronte all’Accademia Prussiana delle scienze Albert Einstein presentò la versione finale di quella che il fisico Lev Landau battezzò “la più bella delle teorie”. Avrete capito che stiamo parlando della relatività generale, sommo punto di arrivo di un decennio di lavoro, culmine di una carriera…. ma non solo! Questa ricorrenza infatti ai più potrebbe non significare molto, potrebbe sembrare qualcosa di astratto e di elitario, una conoscenza riservata, come lo era la sapienza custodita dai sacerdoti dell’antico Egitto. Qualcosa di ingegnoso ma inutile. La relatività generale però non è solo questo, “la più bella delle teorie” ci ha spalancato le porte del cosmo in cui viviamo, aggiungendo un importante tassello al puzzle della conoscenza, primo e ultimo fine dell’essere umano. Mi pare doveroso,cogliendo l’occasione di questa ricorrenza, ripercorrere la vita personale e scientifica dell’uomo il cui cognome è ormai diventato un sinonimo di genio nel linguaggio comune. Conosciamo meglio Albert Einstein e il suo lavoro.

 

VITA

Albert Einstein nacque a Ulm il 14 marzo 1879, i suoi genitori furono Hermann Einstein, il quale possedeva un’azienda di macchinari elettrici, e Pauline Koch. Frequentò da giovane una scuola di violino per volere della madre e studiò in una scuola elementare cattolica. Il Violino rimase sempre una sua passione, assieme alla vela, che trovava ideale per rilassarsi. Nonostante iniziò tardi a parlare il suo genio, oggi così popolare, si manifestò fin dalla tenera età: quando aveva 5 anni ricevette una bussola dal padre e lui notò subito che qualcosa faceva spostare l’ago della bussola verso il nord, ci doveva essere una forza invisibile che agiva sulla bussola! La leggenda secondo cui non sarebbe stato bravo a scuola è priva di fondamento, i suoi voti erano ottimi e in matematica andava benissimo. Semplicemente era naturalmente portato per matematica e fisica, mentre non gli interessavano le altre materie. Aveva un modo tutto suo di imparare le cose, ad esempio per lui le tabelline erano cose noiose, ha sempre sostenuto infatti che una persona deve potersi dedicare a ciò che più gli interessa. All’età di 10 anni cominciò a frequentare il ginnasio mentre già nel 1894 scrisse il suo primo articolo scientifico. Nel 1895 invece fallì l’esame di ammissione al Politecnico di Zurigo per carenza nelle materie letterarie, completò così la sua preparazione ottenendo il diploma nel 1896. Nello stesso anno rinunciò alla cittadinanza tedesca.

Concluse gli studi al politecnico nel 1900 con votazione 4,9/6. In quegli anni si innamorò di Mileva Maric, unica donna ammessa al politecnico, con la quale ebbe una figlia illegittima che morì di scarlattina in giovane età. Si dice che ci fossero attriti tra i due e che Einstein propose a Mileva un contratto in cui si sarebbe dovuta impegnare nelle faccende di casa se avesse voluto rimanere con lui.
In seguito al diploma non ottenne il posto da assistente, ne seguì un periodo di sconforto, in una lettera scrisse che pensò addirittura di togliersi la vita in quanto lasciò che suo padre morì (la morte del padre avvenne nel 1902) pensando che il proprio figlio fosse un fallito.
In seguito risollevò la sua situazione trovando un posto all’ufficio brevetti di Berna. Qui tra un brevetto e l’altro trovò anche il tempo di dedicarsi alle sue passioni scientifiche. Il 1905 è il c.d. Annus Mirabilis. In quell’anno Einstein scrive ben 4 articoli scientifici destinati a cambiare la fisica.

Nel 1912 iniziò una relazione con Elsa (1876-1936), che sposò il 2 giugno 1919.

Nel 1927 declinò l’invito a partecipare al congresso internazionale dei Fisici a Como, in opposizione al regime fascista.

Nel 1933 invece lasciò per sempre la Germania per trasferirsi negli Stati Uniti a causa delle persecuzioni contro gli Ebrei (Einstein era ebreo). Quando Hitler salì al potere Einstein era professore ospite a Princeton. I suoi lavori furono denigrati dal regime in quanto frutto del lavoro di un ebreo. Durante i roghi organizzati dai nazisti in cui bruciarono tutti i libri “non corrispondenti all’ideologia nazista” ci furono anche quelli di Einstein. Moglie e figlie del cugino Robert vennero uccise, molto probabilmente come atto di ritorsione nei suoi confronti.

Einstein e Nathan Rosen inoltre nel 1935 pubblicarono un lavoro in cui affermarono la possibilità che regioni distanti dello spazio-tempo potessero essere collegate da dei cunicoli, questi cunicoli oggi si chiamano Wormhole. Il termine fu coniato dal fisico John Archibald Wheeler.

Einstein era notoriamente pacifista ma nel 1939 fu convinto a scrivere una lettera al Presidente Roosvelt per convincere gli USA a creare la bomba atomica prima dei tedeschi, in quanto si aveva una forte paura che il regime di Hitler potesse sviluppare una tale arma, scrisse così la lettera. Molti anni dopo ha dichiarato che se avesse saputo che la Germania non stava per costruire la bomba non avrebbe scritto la lettera.

 

Einstein alla sua scrivania all'ufficio brevetti di Berna. https://foglianuova.files.wordpress.com/2012/08/img295.jpg
Einstein alla sua scrivania all’ufficio brevetti di Berna.
 

MIRACOLI

Il titolo del paragrafo non è stato scelto a caso, in quanto Albert i miracoli li ha fatti davvero! Infatti il 1905 venne chiamato l’annus mirabilis. Questo perché Einstein, come anticipato, scrisse quattro articoli fondamentali.
-”Su un euristico punto di vista concernente la produzione e la trasformazione della luce.”
-” Sul movimento di piccole particelle sospese in un liquido stazionario, come richiesto dalla teoria cinetica molecolare del calore.”
– “Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento.”
-”L’inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto di energia?”

Il primo articolo riguardava l’effetto fotoelettrico, ovvero la caratteristica di alcuni metalli di emettere elettroni se colpiti dalla luce. Fu un lavoro importante perché il fenomeno trova una spiegazione nella natura corpuscolare della luce. Grazie a questo lavoro vinse il Nobel per la Fisica nel 1921, ma lui lo considerò sempre un lavoro minore.

Il secondo articolo riguardava il moto Browniano, il moto disordinato delle particelle in un fluido. Questo articolo faceva parte della sua tesi di dottorato, cosa che ottenne nel 1906. In seguito, nel 1908, insegnò a Berna. Divenne poi membro dell’Accademia Prussiana delle scienze con sede a Berlino dopo che gli fu offerto un allettante contratto senza obblighi di insegnamento. L’articolo è importante in quante mirato a fornire una prova riguardo l’esistenza degli atomi, a quel tempo ancora dibattuta.

Il quarto articolo fu altrettanto celebre e racchiudeva la formula più famosa della storia: E=mc^2, la quale stabilisce definitivamente il rapporto tra massa ed energia. Queste ultime sono due facce della stessa medaglia, una si può trasformare nell’altra e hanno entrambe effetti gravitazionali. Il fotone infatti pur non avendo massa è dotato di momento, può quindi produrre una spinta. Questo fatto ha portato all’invenzione delle vele solari, tecnologia che si sta testando nello spazio. La formula ha dato il là all’energia nucleare in quanto ci dice che da una piccola quantità di materia si può ricavare un immenso quantitativo di energia (c^2 è il fattore di conversione, un numero per l’appunto immenso). Il fattore “m*c^2” rappresenta la massima quantità di energia che può avere un corpo, senza contare energia cinetica e potenziale.

Ma l’articolo più importante fu sicuramente il terzo in quanto rappresenta il suo primo grande traguardo: la relatività ristretta. In seguito al celebre esperimento di Michelson-Morley, effettuato nel 1887 da Albert Abraham Michelson (1852-1931, premio Nobel per la fisica nel 1907) e da Edward Williams Morley (1838-1923), teso a dimostrare l’esistenza dell’etere ma che fu un fallimento (un fallimento importantissimo), la fisica si trovò in una situazione di stallo, ed è qui che entra in gioco Einstein. L’esperimento, seppur ripetuto molte volte, non trovò mai sostanziali differenze nella velocità della luce nelle varie direzioni, differenze che sarebbero dovute essere attribuite all’etere. George Francis FitzGerald (1851-1901) e più approfonditamente Hendrik Lorentz ( 1853-1928, premio Nobel per la fisica nel 1902), proposero la contrazione delle lunghezze per spiegare il risultato nullo dell’esperimento. Secondo loro il macchinario si era contratto durante la misurazione nella direzione del moto. Ma era un ipotesi piazzata ad hoc e non portava da nessuna parte.
Era chiaro che cera qualcosa che non andava, inizialmente si pensò che qualcosa nelle leggi dell’elettromagnetismo andasse cambiato,  Einstein però capì che non era così, erano le leggi della meccanica che andavano modificate! A quei tempi vigeva ancora la forte autorità delle leggi di Newton, ma Einstein non si fece intimidire e derivò i due postulati della relatività ristretta: 1) le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali 2) la luce si propaga nel vuoto a velocità costante ( questo postulato era nascosto nelle leggi di Maxwell e Einstein lo seppe vedere).
Grazie al principio di relatività sappiamo che i sistemi in quiete sono equiparati ai sistemi in moto rettilineo uniforme, non c’è modo di sapere se siamo fermi o ci stiamo muovendo a meno che non guardiamo fuori! Se un corpo è lasciato libero di muoversi non occorrono altre forze per conservarne il moto, per questo non percepiamo il movimento della terra. Il concetto fu inizialmente introdotto da Galileo.
La velocità della luce non può essere raggiunta dalle particelle con massa! Quando un corpo viaggia a velocità prossime a quelle della luce subisce una contrazione, aumenta la sua massa ed inoltre per esso il tempo rallenta ( Vedi il paradosso dei gemelli: se un gemello partisse per una stella lontana a velocità prossime a quelle della luce e l’altro rimanesse sulla terra, al ritorno del primo il secondo risulterà più vecchio!).

Alle leggi di Newton andranno quindi apposti questi correttivi. Oggi il rallentamento del tempo è stato dimostrato sperimentalmente negli acceleratori di particelle, così come l’aumento di massa, infatti nessuna particella massiva è mai riuscita ad accelerare fino alla velocità della luce.
La velocità finita della luce ci dice anche che ci sono dei limiti invalicabili per ciò che riguarda l’universo osservabile. Essendo l’universo in espansione a velocità crescente, la luce proveniente dalle galassie più lontane non riuscirà mai a raggiungerci. Il limite di velocità cosmica non vale per lo spazio-tempo.

La relatività spazza via inoltre il concetto Newtoniano di tempo assoluto: ognuno ha il suo proprio tempo e la percezione dei fenomeni dipende dal proprio sistema di riferimento (Vedi esempio del treno). Se sono su una carrozza di un treno infatti e al centro esatto di questa c’è una fonte di luce, nonostante il treno sia in movimento la luce arriverà alle due estremità della carrozza nello stesso momento. Se io sono fermo in stazione mi sembrerà che la luce raggiunga le due estremità in momenti differenti, questo perché la velocità della luce è finita e impiegherà momenti diversi a raggiungere il mio occhio in base alla distanza da esso.

 

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IL CAPOLAVORO

Dopo la relatività ristretta si mise a pensare a una teoria della gravità compatibile con essa, questa ricerca durò circa 10 anni. Un input di non poco conto gli fu dato da Hermann Minkowski(1864-1909) il quale descrisse la relatività ristretta in uno spazio-tempo non più euclideo, quindi tridimensionale, ma quadrimensionale, in cui spazio e tempo formano una cosa sola. Einstein ebbe inoltre un pensiero che lo mise sulla giusta strada: una persona in caduta libera in un campo gravitazionale non sente il proprio peso!

La stesura della teoria, estremamente complessa, durò parecchi anni, in ciò fu aiutato dal matematico ungherese Marcel Grossman (1878-1936), soprattutto per ciò che riguarda la matematica dei tensori. Le equazioni della relatività descrivono come lo spazio-tempo viene modificato dalla presenza delle masse nonché come queste si muovono in esso. Le masse incurvano lo spazio-tempo  e a sua volta questa curvatura dice alle masse come muoversi. La gravità assume così un nuovo significato, diventa ciò una conseguenza delle geometria dello spazio tempo.  In questo spazio tempo i vecchi concetti newtoniani di spazio e tempo assoluto vengono spazzati via per far posto a spazi e tempi relativi. Lo spazio-tempo però rimane assoluto!
Grazie al principio di equivalenza anticipato da Galileo inoltre equiparò l’accelerazione dovuta al campo gravitazionale a quella generata a una forza esterna, un’eventuale persona in caduta libera non sarebbe in grado di capire in assenza di indizi se si trovi a riposo in un campo gravitazionale oppure se stia subendo un accelerazione. Da ciò ne dedusse che la dilatazione temporale dovesse valere anche per la gravità.
Nel 1919 Sir Arthur Eddington (1882-1944) organizzò una spedizione per verificare se effettivamente la luce delle stelle venisse deviata dalla gravità del sole. L’occasione ideale per tali esperimenti fu proprio un’eclissi solare. Le osservazioni vennero effettuate il 29 maggio 1919 a Sobral in Brasile e a Principe nello stato di Sao Tomè e Principe. Le osservazioni confermarono le teorie di Einstein, le quali risolsero anche il problema dell’orbita di Mercurio. Mai risolto dai tempi di Newton. La gravità del sole deviò effettivamente i raggi di luce, facendo in modo che le stelle in traiettoria si vedessero in una posizione diversa rispetto al solito.
Il modello di universo di Einstein inizialmente prevedeva un universo statico (quindi senza un inizio) grazie ad una costante cosmologica. In seguito alla scoperta di Edwin Hubble (1889-1953) che l’universo è in espansione abbandonò tale costante definendola come il più grande errore della sua vita.
Oggi questa costante sta tornando “di moda” proprio per spiegare l’espansione dell’universo a velocità crescente. Questa sarebbe dovuta alla c.d. Energia oscura.
Inoltre inizialmente Einstein non credeva ai buchi neri, nonostante la sua teoria li prevedesse chiaramente.

Un aneddoto curioso: quando Einstein e la moglie Elsa andarono in visita da Hubble e sua moglie all’osservatorio di Wilson, la moglie di Hubble disse:”mio marito usa il telescopio per studiare l’universo”, la moglie di Einstein replicò:” mio marito lo fa sul retro di una vecchia busta”.
La relatività generale rappresenta una delle teorie più rivoluzionarie della storia e di sicuro, la più grande conquista solitaria.

Grazie alla relatività generale abbiamo i GPS. Sapendo che a bassa quota il tempo scorre più lentamente, gli orologi dei satelliti e del GPS possono essere sincronizzati correttamente e il segnale interpretato in maniera corretta.

 

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IL DIALOGO TRA EINSTEIN E BOHR

Nonostante Einstein abbia contribuito in maniera importante all’emergere della meccanica quantistica, tramite il suo lavoro riguardo l’effetto fotoelettrico, rimase sempre scettico sull’apparento comportamento della materia a livello microscopico. La sua posizione riguardo questa materia è riassumibile nella sua celeberrima frase:”Dio non gioca a dadi”, frase a cui Bohr rispondeva: “Piantala di dire a Dio cosa fare con i suoi dadi”. Nel 1927 si impegna in un travolgente dibattito con Niels Bohr (1885-1962) sul principio di indeterminazione di Heisenberg. Secondo questo principio non possiamo mai sapere con precisione velocità e posizione di una particella. Einstein ogni giorno proponeva un esperimento mentale, che Bohr non tardava a smontare. Ma un giorno Einstein pensò di aver fatto il colpo quando propose il seguente esperimento: se da una scatola ben chiusa facciamo uscire un raggio di luce, grazie alla formula di Einstein e=m*c^2, potremmo sapere l’energia di quella particella, sapendo il momento in cui è uscita poi, potremmo contraddire il principio di indeterminazione! Bohr fu sconvolto, così come chi assisteva al dibattito, mentre Einstein usciva trionfante. Passata la disperazione Bohr riuscì il giorno dopo a trovare una soluzione proprio sfruttando la teoria di Einstein: la gravità stessa occorrente per pesare la scatola influenzerà la misura, rallentando il tempo e provocando incertezza sul momento in cui il fotone esce dalla scatola. Einstein provò sempre a superare il principio di indeterminazione ma non vi riuscì mai! Non si convinse mai di questa incertezza, secondo lui l’uomo prima o poi sarebbe arrivato alla verità definitiva.
Una volta scrisse:”La meccanica quantistica è degna di ogni rispetto ma sento che non è ancora la via giusta”.
Einstein fu comunque un pioniere della meccanica quantistica, oltre alla spiegazione dell’effetto fotoelettrico possiamo ricordare l’esperimento EPR (dal nome dei 3 scienziati Einstein Podolsky e Rosen) riguardante l’entanglement, che lui definiva una “spaventosa azione a distanza”.

 

"Niels Bohr Albert Einstein by Ehrenfest" by Paul EhrenfestOriginal uploader was Graf at de.wikipedia - http://www.dfi.dk/dfi/pressroom/kbhfortolkningen/. Licensed under Public Domain via Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Niels_Bohr_Albert_Einstein_by_Ehrenfest.jpg#/media/File:Niels_Bohr_Albert_Einstein_by_Ehrenfest.jpg
“Niels Bohr Albert Einstein by Ehrenfest” by Paul EhrenfestOriginal uploader was Graf at de.wikipedia – http://www.dfi.dk/dfi/pressroom/kbhfortolkningen/. Licensed under Public Domain via Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Niels_Bohr_Albert_Einstein_by_Ehrenfest.jpg#/media/File:Niels_Bohr_Albert_Einstein_by_Ehrenfest.jpg

MORTE

Einstein passò gli ultimi anni della sua vita a cercare di ricavare una teoria del tutto che unificasse le forze della natura, ma non vi riuscì. La teoria del tutto fu il suo grande sogno. Non credeva inoltre nel libero arbitrio e aveva una visione di Dio particolare, che si rifà a Spinoza: secondo lui Dio non aveva scelta nel creare l’universo, se non lo avesse creato così la vita non avrebbe potuto esistere. Inoltre Dio non ha influenza nella nostra vita di tutti i giorni.
Morì nel 1955 a causa di un aneurisma dell’aorta addominale, già precedentemente operata. Rifiutò di operarsi nuovamente e decise di andarsene serenamente (elegantemente disse lui). Fu cremato e le ceneri sparse. Thomas Stoltz Harvey (1912- 2007) asportò  il suo cervello senza l’approvazione della famiglia (e contro il desiderio di Einstein di essere cremato) e lo conservò sotto formaldeide. Anni dopo i parenti lo vennero a sapere e acconsentirono a che il cervello venisse sezionato in 240 parti e studiato, la maggior parte dei resti si trova all’ospedale di Princeton.
Si sperava che studiandolo ci fosse rivelato il segreto della genialità. Il c.d. “genio” dipende da fattori come la passione, concentrazione e dedizione, comunque sia il suo cervello aveva caratteristiche particolari: era più piccolo della norma ed inoltre i due emisferi erano molto ben connessi, aveva un corpo calloso molto esteso. Tuttavia pare che non ci sia nulla di sovra-umano nel cervello di Einstein. E’ ancora dubbio se le parti del cervello che in Einstein sono più sviluppate lo siano state dalla nascita oppure si siano sviluppate in seguito.
Una curiosità che non molti sanno è che Einstein, assieme al suo allievo Szilard, brevetto anche un frigorifero!

 

Letture consigliate:
  • Buchi neri e salti temporali: l’eredità di Einstein di Kip Stephen Thorne.
  • Il cosmo di Einstein di Michio Kaku
  • I motori della gravità di Caleb Scharf
  • Sette brevi lezioni di Fisica di Carlo Rovelli
  • Dal Big Bang ai buchi neri di Stephen Hawking
Maggiori approfondimenti su La Civiltà Planetaria per le recensioni dei libri proposti (e altri ancora):

 

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