Albert Einstein: biografia e scoperte

Albert Einstein: biografia e scoperte A cura di Brunella Appicciafuoco.

Infanzia, biografia e scoperte di Albert Einstein, fisico tedesco premio Nobel nel 1921 che postulò la teoria della relatività

1Biografia di Albert Einstein

Albert Einstein (1879-1955), premio Nobel per la Fisica nel 1921
Albert Einstein (1879-1955), premio Nobel per la Fisica nel 1921 — Fonte: getty-images

1.1I primi anni e la formazione

Albert Einstein nacque a Ulm, in Germania, il 14 marzo 1879 in una famiglia di origine ebraica, da Hermann Einstein, proprietario di una piccola azienda che produceva macchinari elettrici, e Pauline Koch. Trascorse la prima giovinezza a Monaco dove ricevette una rigida educazione dal sistema scolastico bavarese. Einstein non approvò mai i sistemi scolastici tradizionali e autoritari.    

Albert Einstein fu un buon studente anche se non individuabile da subito come una mente geniale, soprattutto per le difficoltà relative alla prontezza dei riflessi e alla capacità oratoria. Come dichiarò lui stesso in un’intervista infatti, "le parole gli erano alcune volte di impedimento al pensiero e le sue intuizioni erano talvolta piuttosto lente, in quanto spesso cominciavano a prendere forma con delle immagini prelevate da alcuni esperimenti mentali". Si trattava di esperimenti ideali che, per motivi pratici non potevano essere del tutto realizzati.  

Ancora bambino, Albert Einstein con la sorella
Ancora bambino, Albert Einstein con la sorella — Fonte: getty-images

A causa di problemi economici, la famiglia Einstein si trasferì spesso (dopo Monaco, in Italia e in Svizzera - a Berna). Concluse gli studi superiori ad Aarau, in Svizzera diplomandosi nel 1896. Nell’ottobre dello stesso anno superò l’esame di ammissione al Politecnico di Zurigo dove concluse i suoi studi in matematica e fisica nel luglio del 1900.    

1.2Il matrimonio

Nel 1898, conobbe Mileva Marić che sposò nel 1903 e da cui ebbe tre figli - Lieserl, nel 1902 che morì l’anno seguente; Hans Albert nel 1904 e Eduard nel 1910. Nel 1919 i due divorziarono e nello stesso anno Einstein sposò in seconde nozze la cugina Elsa Einstein, cui restò legato fino alla morte di lei, avvenuta nel 1936. 

Foto panoramica di Ulm, città natale di Albert Einstein
Foto panoramica di Ulm, città natale di Albert Einstein — Fonte: istock

1.3I lavori del 1905

Dopo la laurea Albert Einstein ottenne un modesto impiego presso l’Ufficio Brevetti di Berna che gli consentiva di mantenersi. Tuttavia in quel periodo rimase comunque in contatto con il mondo accademico continuando a dedicarsi ad alcuni problemi di fisica teorica e concependo alcune delle più rivoluzionarie teorie della storia delle scienze. Solo nel 1905 pubblicò, sugli Annalen der Physik, tre lavori storici che segnarono l’avvio della sua lunga e brillante carriera accademica.  

Albert Einstein immortalato, nel 1937, all'Oxford University
Albert Einstein immortalato, nel 1937, all'Oxford University — Fonte: getty-images

Nel primo lavoro ipotizzava che la luce avesse una duplice natura, corpuscolare e ondulatoria, e che in certi fenomeni prevaleva il primo aspetto, ovvero quello basato su un insieme di quanti (successivamente chiamati fotoni). Einstein utilizzò questa ipotesi per l’interpretazione del fenomeno dell’effetto fotoelettrico che verrà descritto nel paragrafo seguente.  

Il secondo articolo riguardava il moto browniano di particelle sospese in un liquido e soggette agli urti dovuti all’agitazione termica delle molecole di liquido. La teoria costruita da Einstein contribuì all’affermazione dell’ipotesi della natura atomica della materia.   

Nel terzo lavoro veniva formulata la teoria della relatività ristretta grazie alla quale veniva meno, come vedremo, l’incongruenza tra le leggi di trasformazione valide per la meccanica e quelle valide per i fenomeni elettromagnetici. In un altro lavoro del 1905 Einstein derivò la formula E = mc2 come conseguenza della relatività.  

1.4Effetto fotoelettrico

Ricordiamo che nel 1900 il fi­si­co te­de­sco Max Planck pro­po­se come lo scam­bio di energia tra la ma­te­ria e la radiazio­ne av­ve­nis­se per quanti. In pratica, la sua teoria si fondava sul con­cet­to fonda­men­ta­le secondo cui una par­ti­cel­la ca­ri­ca oscil­lan­te al­la fre­quen­za ν po­tes­se scam­bia­re ener­gia con l’am­bien­te so­lo in for­ma di pac­chet­ti discreti di gran­dez­za E = h ν dove h è oggi nota come co­stan­te di Planck (6,626 × 10–34 J · s).  

Einstein in una foto da giovane
Einstein in una foto da giovane — Fonte: getty-images

Einstein riprese e ampliò la teoria dei quanti per interpretare un fenomeno da poco scoperto e noto come effetto fotoelettrico. In pratica, mentre Planck aveva quantizzato solo l’energia associata alle radiazioni uscenti dal corpo nero, Einstein estese il concetto di quantizzazione a ogni tipo di radiazione: il quanto venne riconosciuto come entità fisica reale.  

Einstein affermò che la luce è quantizzata, costituita cioè da un flusso di particelle di energia o quanti che nel 1923 chiamò fotoni. Einstein suppose che l’elettrone potesse essere espulso solo quando il fotone che lo colpiva aveva un’energia minima E=h ν0, essendo ν0 un valore soglia caratteristico del metallo considerato.     

La relazione introdotta da Einstein era la seguente:

  • ½ mv2max = h ν – w0 dove w0 indica il lavoro di estrazione del metallo fotosensibile e v max la velocità massima con cui gli elettroni sono emessi.  
Einstein immortalato nella sua casa di Berlino
Einstein immortalato nella sua casa di Berlino — Fonte: getty-images

1.5Introduzione alla teoria della relatività

La teoria della relatività si divide in due parti fondamentali: quella ristretta o speciale che Einstein formulò nel 1905 e quella generale, del 1915. La prima si applica a tutti i fenomeni fisici con l’eccezione della gravitazione, che viene inglobata invece nella teoria della relatività generale.  

Con la teoria della relatività, Einstein rivoluzionò letteralmente i concetti di spazio e tempo: mentre la fisica classica li considerava entità assolute, ovvero uguali per qualunque osservatore ne effettuasse la misura, con Einstein queste grandezze assumono carattere relativo

Secondo Einstein il tempo, inteso secondo la logica con cui evolvono i fenomeni reali, scorre in modo diverso considerando sistemi di riferimento diversi. Di conseguenza, anche il concetto di simultaneità è stato messo in discussione. 

Formula della teoria della relatività generale
Formula della teoria della relatività generale — Fonte: istock

Con la teoria della relatività generale Einstein riusciva a spiegare fenomeni che rimanevano fuori dalla portata della legge di gravitazione universale di Newton e prediceva il valore dell’incurvamento dei raggi luminosi che passano vicino al bordo di una massa come quella del Sole. Questo effetto fu misurato da due spedizioni in occasione dell’eclisse totale di Sole del 29 maggio 1919: il britannico Arthur Eddington, a capo di una delle due, il 6 novembre del 1919 annunciò alla Royal Society che la relatività di Einstein era confermata.    

1.6Le cattedre e il premio Nobel

Albert Einstein riceve il premio Nobel per la Fisica nel 1921
Albert Einstein riceve il premio Nobel per la Fisica nel 1921 — Fonte: getty-images

La notevole produzione scientifica di Einstein gli procurò diverse cattedre universitarie, prima a Zurigo (nel 1909) e poi a Praga (nel 1911). Nel 1914 si trasferì a Berlino dove fino al 1932 diresse l’Istituto Kaiser Wilhelm.  

Nel 1921 gli fu assegnato il Premio Nobel per la Fisica per i contributi alla fisica teorica, in particolare per la scoperta della legge dell’effetto fotoelettrico. (Einstein ricevette effettivamente il premio l’anno seguente). Come notiamo, nelle motivazioni non vi era un riferimento esplicito alla relatività ma fu proprio questa che determinò la notorietà di Einstein anche nel mondo non accademico.    

1.7Il trasferimento negli Stati Uniti e gli ultimi anni

Nel 1933 fu costretto dalle persecuzioni antisemitiche naziste a lasciare la Germania e si trasferì quindi negli Stati Uniti. Naturalizzato cittadino statunitense, si stabilì a Princeton dove insegnò Fisica Teorica all’Università - all’Institute for Advanced Studies - fino al 1945, anno in cui si ritirò dall’attività accademica.    

Dopo la seconda guerra mondiale, Einstein cercò di favorire la pace nel mondo, promuovendo una vera e propria campagna popolare contro la guerra e le persecuzioni razziste. Una settimana prima della sua scomparsa, avvenuta a Princeton il 17 aprile del 1955, unitamente ad altri sette premi Nobel, compilò una dichiarazione pacifista contro le armi nucleari indirizzata al Presidente Roosevelt: “Noi rivolgiamo un appello come esseri umani a esseri umani: ricordate la vostra umanità e dimenticate il resto. Se sarete capaci di farlo è aperta la via di un nuovo paradiso, altrimenti è davanti a voi il rischio della morte universale”.    

2Albert Einstein e la teoria della relatività: ecco come è nata

Ritratto di Galileo Galilei, dipinto di Justus Sustermans, 1636, Firenze, Galleria Degli Uffizi
Ritratto di Galileo Galilei, dipinto di Justus Sustermans, 1636, Firenze, Galleria Degli Uffizi — Fonte: ansa

2.1La relatività galileiana

Il principio di relatività classica fu delineato da Galileo nella sua opera principale Dialogo sui massimi sistemi: tutti i sistemi di riferimento che si muovono con velocità costante (moto rettilineo uniforme) rispetto a un sistema di riferimento inerziale, sono anch’essi inerziali.   

Le relazioni fra le coordinate spazio-temporali di uno stesso evento in due diversi sistemi di riferimento vengono espresse da quelle che sono note come trasformazioni galileiane, che ci ricordano anche come nella fisica classica il tempo venisse definito indipendentemente dal sistema di riferimento. 

Per riassumere: per la fisica classica alcune grandezze di un oggetto, come le coordinate posizionali e la velocità, assumevano valori diversi passando da un sistema all’altro. Al contrario, vi erano grandezze che come il tempo assumevano lo stesso valore in due sistemi di riferimento inerziali ovvero in moto rettilineo uniforme l’uno rispetto all’altro. Tali grandezze erano chiamate invarianti e tra queste rientravano anche la distanza tra due punti, l’accelerazione e la massa.  

2.2Il problema dell’etere

James Maxwell, matematico e fisico scozzese (1831-1879)
James Maxwell, matematico e fisico scozzese (1831-1879) — Fonte: getty-images

Il concetto secondo cui le leggi fisiche sono invarianti per osservatori in moto relativo rettilineo uniforme ha rappresentato un punto fermo per secoli. Nella seconda metà del XIX secolo, Maxwell dimostrò la natura elettromagnetica della luce la cui velocità di propagazione nello spazio era di 3.10 (all'ottava) m/s

In base alla fisica classica, si dava per scontato che la luce dovesse avere velocità diverse in diversi sistemi di riferimento e sorse quindi il problema di stabilire in quale sistema di riferimento la velocità assumesse il valore "c" previsto dalle equazioni di Maxwell. Si stabilì che la luce assumesse velocità "c" nel sistema di riferimento costituito dall’etere.    

Lo stesso Maxwell sosteneva l’esistenza del “grande oceano di etere che riempie tutto lo spazio” che rappresentava in pratica un sistema di riferimento privilegiato, privo di movimento e in cui la luce e le onde elettromagnetiche in generale potevano trasmettere i loro campi elettrici e magnetici.  

2.3Esperimento di Michelson e Morley

Einstein con un gruppo di studenti a Princeton
Einstein con un gruppo di studenti a Princeton — Fonte: getty-images

L’esperimento ideato da Maxwell e condotto dai fisici statunitensi Michelson e Morley tra il 1881 e il 1887, era finalizzato a misurare il moto assoluto della Terra attraverso l’etere cosmico e utilizzava la velocità della luce come riferimento e un interferometro come dispositivo sperimentale.  

L’esperimento evidenziò come la velocità della luce fosse sempre uguale a "c". Inizialmente il risultato non fu considerato credibile e per questo gli esperimenti furono ripetuti moltissime volte fino ad essere confermati definitivamente nel 1887. Smentendo la teoria dell’etere, ci si chiedeva quindi se la teoria della relatività galileiana non fosse quindi valida. 

2.4Le trasformazioni di Lorentz

Nel 1904 Lorentz elaborò alcune equazioni, note appunto come trasformazioni di Lorentz, che consentivano di interpretare il risultato ottenuto da Michelson e Morley e dimostrare la validità delle equazioni di Maxwell in tutti i sistemi di riferimento inerziali. Lui stesso comunque considerava le sue trasformazioni come degli artifizi matematici per giustificare l’esistenza di alcuni fenomeni reali.  

In pratica faceva sì che le equazioni di Maxwell diventassero invarianti per osservatori in moto rettilineo uniforme e quindi per tutti i sistemi di riferimento inerziali. Considerando le trasformazioni di Lorentz a velocità ordinarie (molto inferiori rispetto a c), la differenza rispetto a quanto postulato da Galileo diventava trascurabile: nelle condizioni che sperimentiamo nella realtà quotidiana le trasformazioni galileiane restavano valide. 

2.5La relatività ristretta

Nel 1905 Einstein pubblicò la teoria della relatività ristretta o speciale, valida in caso di sistemi in moto rettilineo uniforme l’uno rispetto all’altro. I postulati sono i seguenti: 

  • Le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi inerziali (non in moto accelerato).
  • La velocità della luce nel vuoto è pari a c indipendentemente dal moto della sorgente e dell’osservatore (è la stessa in tutti i sistemi inerziali).
Albert Einstein con la moglie Elsa durante un viaggio in Egitto
Albert Einstein con la moglie Elsa durante un viaggio in Egitto — Fonte: getty-images

Il primo postulato evidenzia il presupposto einsteiniano che debbano esistere leggi della natura rigorosamente valide in qualsiasi luogo della Terra e dell’Universo. L’esperimento di Michelson e Morley era finalizzato a misurare la velocità della Terra in un sistema di riferimento assoluto e quindi il risultato negativo che ottennero può essere considerato come un’evidenza sperimentale della validità della teoria della relatività ristretta che esclude sia l’esistenza di un sistema privilegiato che il concetto di tempo assoluto. 

Albert Einstein eletto persona del XX secolo dal Time
Albert Einstein eletto persona del XX secolo dal Time — Fonte: ansa

Einstein, respingendo l’idea di un sistema di riferimento assoluto, riuscì a conciliare la meccanica classica con la teoria elettromagnetica di Maxwell. La velocità della luce calcolata con le equazioni di Maxwell è dunque la velocità della luce nel vuoto in qualunque sistema di riferimento. La teoria della relatività ristretta permette ad ogni osservatore di trasferire la rappresentazione della realtà da un sistema di riferimento ad un altro.

La teoria einsteiniana comportò l’abbandono delle comuni nozioni di tempo e spazio. Da Einstein in poi, lo spazio e il tempo, senza perdere le loro identità separate, vennero riuniti in modo da considerare il tempo come una quarta dimensione dello spazio.  

Albert Einstein, lettera autografa dello scienziato custodita a Ulm
Albert Einstein, lettera autografa dello scienziato custodita a Ulm — Fonte: ansa

Con Einstein ogni punto dell’Universo iniziò ad essere concepito come caratterizzato da 4 coordinate, di cui tre spaziali e una temporale: il tempo assoluto non esiste ma esiste lo spazio tempo e ogni punto è rappresentato in uno spazio quadridimensionale.     

Veniva meno il concetto di tempo assoluto e questo rappresentò forse l’aspetto più rivoluzionario della teoria di Einstein mutando profondamente anche il concetto di simultaneità che divenne dipendente dal sistema di riferimento dell’osservatore.  

Dobbiamo sottolineare come gli effetti relativistici si manifestino considerando oggetti che si muovono a velocità prossime a quella della luce, condizione in cui si assiste ad una dilatazione dei tempi e ad una contrazione delle distanze

La materia dice allo spazio come incurvarsi e lo spazio dice alla materia come muoversi

J.A. Wheeler