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Albert Einstein
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Il secondo studio, sull'interpretazione
dell'effetto fotoelettrico, conteneva un'ipotesi rivoluzionaria sulla natura
della luce; egli affermò che in determinate circostanze la radiazione
elettromagnetica ha natura corpuscolare, ipotizzando che l'energia trasportata
da ogni particella che costituiva il raggio luminoso, denominata fotone, fosse
proporzionale alla frequenza della radiazione, secondo la formula E = hu, dove E
rappresenta l'energia della radiazione, h è una costante universale nota come
costante di Planck (vedi Max Planck), e u è la
frequenza. Questa affermazione, in base alla quale l'energia contenuta in un
fascio luminoso viene trasferita in unità individuali o quanti, dieci anni dopo
fu confermata sperimentalmente da Robert Andrews Millikan.
La teoria della relatività ristretta
Il terzo e più importante studio del
1905, dal titolo Elettrodinamica dei corpi in movimento, conteneva la prima
esposizione completa della teoria della relatività ristretta, frutto di un lungo
e attento studio della meccanica classica di Isaac Newton, delle modalità
dell'interazione fra radiazione e materia, e delle caratteristiche dei fenomeni
fisici osservati in sistemi in moto relativo l'uno rispetto all'altro.
La base della teoria della relatività
ristretta, che comporta la crisi del concetto di contemporaneità, risiede su due
postulati fondamentali: il principio della relatività, che afferma che le leggi
fisiche hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziale, ossia
in moto rettilineo uniforme l'uno rispetto all'altro, estendendo il precedente
principio di relatività galileiano, e il principio di invarianza della velocità
della luce, secondo cui la velocità di propagazione della radiazione
elettromagnetica nel vuoto è una costante universale, che sostituisce il
concetto newtoniano di tempo assoluto.
Critiche alla teoria di Einstein
La teoria della relatività ristretta non
fu immediatamente accolta dalla comunità scientifica. Il punto d'attrito
risiedeva nelle convinzioni epistemologiche di Einstein in merito alla natura
delle teorie scientifiche e sul rapporto tra esperimento e teoria. Sebbene
affermasse che l'unica fonte di conoscenza è l'esperienza, egli era anche
convinto che le teorie scientifiche fossero libera creazione dell'uomo e che le
premesse sulle quali esse sono fondate non potessero essere derivate in modo
logico dalla sperimentazione. Una "buona" teoria, per Einstein, è una teoria
nella quale è richiesto un numero minimo di postulati per ogni dimostrazione.
Il valore dell'attività scientifica di
Einstein venne comunque riconosciuto e nel 1909 lo scienziato ricevette il primo
incarico di docenza presso l'Università di Zurigo. Nel 1911 si trasferì
all'università tedesca di Praga e l'anno successivo tornò al Politecnico di
Zurigo. Nel 1913 assunse la direzione del Kaiser Wilhelm Institut di Berlino.
La teoria della relatività generale
A partire dal 1907, anno in cui fu
pubblicata la memoria contenente la celebre equazione che afferma l'equivalenza
fra massa ed energia, Einstein iniziò a lavorare a una teoria più generale, che
potesse essere estesa ai sistemi non inerziali, cioè in moto accelerato l'uno
rispetto all'altro. Il primo passo fu l'enunciazione del principio di
equivalenza, in base al quale il campo gravitazionale è equivalente a una
accelerazione costante che si manifesti nel sistema di coordinate, e pertanto
indistinguibile da essa, anche sul piano teorico. In altre parole, un gruppo di
persone che si trovino su un ascensore in moto accelerato verso l'alto non
possono, per principio, distinguere se la forza che avvertono è dovuta alla
gravitazione o all'accelerazione costante dell'ascensore. La teoria della
relatività generale venne pubblicata nel 1916, nell'opera intitolata I
fondamenti della relatività generale. In essa le interazioni dei corpi, che
prima di allora erano state descritte in termini di forze gravitazionali,
vengono spiegate come l'azione e la perturbazione esercitata dai corpi sulla
geometria dello spazio-tempo, uno spazio quadridimensionale che oltre alle tre
dimensioni dello spazio euclideo prevede una coordinata temporale.
Einstein, alla luce della sua teoria
generale, fornì la spiegazione delle variazioni del moto orbitale dei pianeti,
dando conto in modo soddisfacente del moto di precessione del perielio di
Mercurio, fenomeno fino ad allora non pienamente compreso, e previde che i raggi
luminosi emessi dalle stelle si incurvassero in prossimità di un corpo di massa
elevata quale, ad esempio, il Sole. La conferma osservativa di quest'ultimo
fenomeno, realizzata in occasione dell'eclissi solare del 1919, fu un evento di
enorme rilevanza.
Per il resto della sua vita Einstein si
dedicò alla ricerca di un'ulteriore generalizzazione della teoria in una teoria
dei campi che fornisse una descrizione unitaria per i diversi tipi di
interazioni che governano i fenomeni fisici, incluse le interazioni
elettromagnetiche, e le interazioni nucleari deboli e forti.
Tra il 1915 e il 1930 si stava
sviluppando la teoria quantistica, che presentava come concetti fondamentali il
dualismo onda-particella, postulato da Einstein fin dal 1905, nonché il
principio di indeterminazione di Heisenberg, che fornisce un limite intrinseco
alla precisione di un processo di misurazione. Einstein mosse diverse e
significative critiche alla nuova teoria e partecipò attivamente al lungo e
tuttora aperto dibattito sulla sua completezza. Commentando l'impostazione
intrinsecamente probabilistica della meccanica quantistica, egli affermò che
"Dio non gioca a dadi con il mondo".
Cittadino del mondo
Dopo il 1919 Einstein divenne famoso a
livello internazionale; ricevette riconoscimenti e premi, tra i quali il premio
Nobel per la fisica, che gli fu assegnato nel 1921. Lo scienziato approfittò
della fama acquisita per ribadire le sue opinioni pacifiste in campo politico e
sociale.
Durante la prima guerra mondiale fu tra
i pochi accademici tedeschi a criticare pubblicamente il coinvolgimento della
Germania nella guerra. Tale presa di posizione lo rese vittima di gravi attacchi
da parte di gruppi di destra; persino le sue teorie scientifiche vennero messe
in ridicolo, in particolare la teoria della relatività.
Con l'avvento al potere di
Hitler, Einstein fu costretto a emigrare negli Stati Uniti, dove gli
venne offerta una cattedra presso l'Institute for Advanced Study di Princeton,
nel New Jersey. Di fronte alla minaccia rappresentata dal regime nazista egli
rinunciò alle posizioni pacifiste e nel 1939 scrisse assieme a molti altri
fisici una famosa lettera indirizzata al presidente Roosevelt, nella quale
veniva sottolineata la possibilità di realizzare una bomba atomica. La lettera
segnò l'inizio dei piani per la costruzione dell'arma nucleare.
Al termine della seconda guerra
mondiale, Einstein si impegnò attivamente nella causa per il disarmo
internazionale e più volte ribadì la necessità che gli intellettuali di ogni
paese dovessero essere disposti a tutti i sacrifici necessari per preservare la
libertà politica e per impiegare le conoscenze scientifiche a scopi pacifici.
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