Albert Einstein, teoria della relatività, Einstein, Albert
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Albert Einstein
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viene allontanata considerevolmente ed indebolita, gli elettroni vengono emessi in numero minore, mentre non diminuisce la loro velocità. L'azione è istantanea anche quando la luce diventa impercettibile.

 Einstein concluse che questi strani effetti potevano essere spiegati solo supponendo che tutta la luce fosse composta di particelle individuali o grani di energia da lui chiamati « fotoni »; e quando uno di essi colpisce un elettrone il risultato è paragonabile all'urto di due palle da biliardo. Inoltre egli doveva ammettere che i fotoni di radiazione violetta od ultravioletta o di altre forme di alta frequenza sono dotati di maggior energia che non i fotoni infrarossi o rossi, e che la velocità con la quale ogni elettrone sfugge dalla lastra di metallo è proporzionale al contenuto di energia del fotone che lo colpisce. Egli enunciò questi principi in una serie di storiche equazioni le quali gli procurarono il premio Nobel, ed in seguito ebbero grande influenza sulla fisica dei « quanti » e sulla spettroscopia. La televisione e le altre applicazioni della cellula fotoelettrica devono la loro esistenza alla « legge fotoelettrica » di Einstein.

Conquistato cosi un tale nuovo ed importante principio fisico, Einstein scopri allo stesso tempo uno dei più profondi ed inquietanti enigmi della natura. Non esistono più dubbi sul fatto che tutta la materia è formata di atomi, i quali a loro volta sono composti di ancor più minuscoli corpuscoli chiamati elettroni, neutroni e protoni. Ma il concetto di Einstein, secondo cui anche la luce può esser costituita da corpuscoli discontinui, contrastava con una teoria molto venerabile: che, cioè, la luce sia fatta di onde.

Vi sono certamente alcuni fenomeni concernenti la luce che possono venire spiegati solo dalla teoria ondulatoria. Per esempio le ombre degli oggetti comuni: edifici, alberi, Pali telegrafici ecc. appaiono ben definite, ma quando un filo sottilissimo od un capello è interposto fra una sorgente di luce ed uno schermo non dà affatto un'ombra definita, suggerendo che i raggi luminosi si piegano davanti all'ostacolo proprio come le onde del mare attorno ad una piccola roccia. Similmente un raggio di luce che attraversa un'apertura rotonda, proietta un disco ben definito sullo schermo; ma se l'apertura è ridotta alla dimensione di uno spillo, il disco si frange in tanti anelli concentrici alternativamente chiari ed oscuri, simili a quelli di un comune bersaglio. Questo fenomeno, conosciuto col nome di « diffrazione », si può paragonare al comportamento delle onde dell'oceano che si piegano e divergono passando attraverso la stretta apertura di un porto. Se invece del foro di uno spillo si usano due fori simili, uno accanto all'altro, la figura di diffrazione assume l'aspetto di una serie di strisce parallele. Come due sistemi d'onda che si incontrano in uno specchio d'acqua si rinforzano a vicenda quando il colmo dell'onda coincide con il colmo dell'altra e si annullano a vicenda quando il colmo di un'onda incontra la parte più bassa di un'altra, cosi nel caso dei fori adiacenti le strisce luminose si formano quando due onde luminose si rinforzano a vicenda e le strisce oscure dove due onde interferiscono. Questi fenomeni - diffrazione ed interferenza - sono veramente caratteristici delle onde e non si presenterebbero se la luce fosse composta di corpuscoli individuali.

Due secoli e più di esperienze e di teoria sostengono che la luce « deve » consistere di onde. Ma d'altra parte la legge fotoelettrica di Einstein afferma che la luce « deve » essere formata da fotoni. Questo fondamentale quesito - onde luminose o corpuscoli - non è ancora risolto. Il duplice carattere della luce è, in ogni modo, solo un aspetto di un più profondo e più importante dualismo che si trova dominante nei fenomeni naturali.

Il primo accenno a questo strano dualismo si ebbe nel 1925, quando un giovane fisico francese, Louis de Broglie, per primo lanciò l'idea che i fenomeni i quali si svolgono fra materia e radiazione possano esser meglio compresi considerando gli elettroni non come corpuscoli individuali, ma piuttosto come un sistema di onde. Questo audace concetto sfidava due decadi di ricerche sui « quanti », durante i quali i fisici avevano accumulato idee alquanto specifiche sulle particelle elementari della materia. L'atomo era rappresentato come una specie di sistema solare in miniatura composto di un nucleo centrale circondato da un numero variabile di elettroni (1 per l'idrogeno, 92 per l'uranio) ruotanti in orbite ellittiche o circolari attorno allo stesso nucleo. L'elettrone era meno appariscente. Le esperienze dimostrarono come tutti gli elettroni abbiano esattamente la stessa massa e la stessa carica elettrica, perciò era naturale considerarli come gli ultimi costituenti fondamentali dell'universo. Sembrava anche logico, a prima vista, rappresentarli semplicemente come solide sfere elastiche. Ma, poco per volta, man mano che l'investigazione progrediva, essi si presentavano più capricciosi eludendo l'osservazione e la misura. Sotto molti aspetti il loro comportamento appariva troppo complesso per una particella elementare della materia. « La sfera solida », affermava il fisico ed astronomo inglese Sir James Jeans, « ha sempre una posizione ben definita nello spazio; mentre l'elettrone, apparentemente, non l'ha. Una sfera solida occupa un certo spazio; parlando di un elettrone non ha probabilmente alcun significato discutere quanto spazio esso occupi, come non ha significato discutere quanto spazio occupi la paura, l'angoscia o l'incertezza ».

De Broglie aveva appena lanciato la sua ipotesi sulle onde della materia, quando un fisico viennese, Schrödinger, enunciò la stessa idea in forma matematica coerente, sviluppando un sistema che spiegava il fenomeno dei « quanti », con l'attribuire funzioni ondulatorie specifiche ai protoni ed agli elettroni. Questo sistema, conosciuto col nome di « meccanica ondulatoria », veniva confermato nel 1927 quando due scienziati americani, Davisson e Germer, provarono sperimentalmente che gli elettroni presentano veramente caratteristici fenomeni ondulatori. Essi diressero un fascio di elettroni su di un cristallo di metalli ottenendo figure di diffrazione analoghe a quelle prodotte dalla luce che passa attraverso ad un foro di spillo.
Un cristallo, a causa dell'ordinamento preciso degli atomi che lo compongono e la vicinanza degli spazi interposti, serve come un reticolo di diffrazione per cortissime lunghezze d'onda, come per es. quelle dei raggi X.
Le loro misure provarono anche come la lunghezza d'onda di un elettrone è dell'esatta grandezza predetta dall'equazione di de Broglie y=h/mv dove v è la velocità dell'elettrone, m la sua massa e h la costante di Planck. Emersero ancora altre sorprese. Esperimenti successivi dimostrarono che non solamente gli elettroni,

ma interi atomi ed anche molecole producono figure di diffrazione, quando colpiscono la superficie di un cristallo, e di più che le loro lunghezze d'onda sono esattamente quelle predette da de Broglie e Schrodinger. E cosi tutte le fondamentali unità della materia, ciò che J. Clerk Maxwell chiamava « le indistruttibili pietre fondamentali dell'universo », gradualmente si spogliano della loro sostanza. L'ormai sorpassato tipo di elettrone sferico viene trasformato in una carica ondulatoria di energia elettrica, l'atomo in un sistema di onde che si sovrappongono. Si potrebbe concludere che tutta la materia è composta di onde, e che noi viviamo in un mondo di onde.

Il paradosso presentato dalle onde di materia da una parte e le particelle di luce dall'altra fu risolto per diverse vie nel decennio precedente la seconda guerra mondiale. I fisici tedeschi Heisenberg e Born, hanno aggirato la difficoltà sviluppando una nuova teoria matematica la quale permette un'accurata descrizione del fenomeno dei « quanti », come si vuole, sia in termini di particelle sia di onde. L'idea sulla quale si basa il loro sistema, ha influenzato profondamente la filosofia della scienza. Essi affermano che è inutile per un fisico preoccuparsi delle proprietà di un singolo elettrone; nel laboratorio questi lavora con fasci o sciami di elettroni, ciascuno dei quali contiene miliardi di particelle individuali (od onde); perciò il fisico deve considerare solo il comportamento della massa, secondo le leggi della statistica, della probabilità e del caso. In tal modo non fa praticamente alcuna differenza, sia che gli elettroni singoli siano particelle, sia invece che essi siano sistemi di onde; nell'insieme essi possono esser rappresentati in ambedue i modi. Per esempio se due fisici si trovano sulla spiaggia del mare uno di essi può analizzare un'onda ragionando cosi: le sue caratteristiche e la sua intensità sono chiaramente individuate dalla posizione della sua cresta e del suo avvallamento; mentre il secondo può osservare a sua volta e con la stessa precisione: la parte che voi chiamate cresta ha un significato soltanto perché contiene più molecole d'acqua della parte dove l'onda è più bassa. In modo analogo Born adottò l'espressione matematica usata da Schrodinger nelle sue equazioni per designare la funzione d'onda interpretandola come una « probabilità » nel senso statistico. In altre parole egli considerò l'intensità di ogni sezione dell'onda come la misura della probabile distribuzione dl particelle in quel punto. Perciò egli discusse i fenomeni di diffrazione, i quali fino allora potevano essere spiegati solo con la teoria ondulatoria, in termini della « probabilità » di certi corpuscoli - « quanti » di luce o elettroni che seguono vie stabilite ed arrivano in punti determinati. Cosi le onde materiali sono ridotte a « onde di probabilità ». Il modo di rappresentarci un elettrone, o un atomo od un'onda di probabilità, non ha più alcuna importanza. Le equazioni di Heisenberg e Born vanno bene in ogni caso. Noi possiamo dunque, se ci piace, immaginarci viventi in un universo di onde, od in un universo di particelle, o, come diceva uno spiritoso scienziato, in un universo di « ondicelle ».

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