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E=mc²

equazione fisica che stabilisce l'equivalenza tra l'energia e la massa di un sistema fisico
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Sesta e ultima scultura della "Berliner Walk of Ideas", realizzata in occasione del Campionato mondiale di calcio 2006 (Lustgarten, di fronte al Altes Museum, a Berlino)

E = mc2 è l'equazione che stabilisce la relazione tra l'energia e la massa di un sistema fisico. E indica l'energia relativistica totale di un corpo, m la sua massa relativistica e c la costante velocità della luce nel vuoto.

Fu enunciata, in una forma diversa (vedi Sezione L'articolo di Einstein sull'equivalenza massa-energia), da Albert Einstein nell'ambito della relatività ristretta, benché non compaia nel primo articolo "Sull'elettrodinamica dei corpi in movimento" del giugno 1905, ma in un secondo del settembre intitolato "L'inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto di energia?".[1]

L'elemento rivoluzionario della formula risiede nel fatto che la massa, fino a quel momento ritenuta una grandezza fisica indipendente, è messa in relazione con l'energia tramite la costante velocità della luce nel vuoto al quadrato, stabilendo l'equivalenza massa-energia e, di conseguenza, il principio di conservazione massa-energia. È probabilmente la più famosa formula della fisica, grazie all'intreccio di novità, semplicità ed eleganza.

Significato dell'equazioneModifica

Fino allo sviluppo della relatività ristretta, si riteneva che massa ed energia fossero due grandezze fisiche distinte. L'equivalenza fra massa ed energia della relatività ristretta sancisce invece che queste due grandezze sono strettamente legate da una costante universale, il quadrato della velocità della luce nel vuoto (c²). La conseguenza di questa semplice formula è che qualsiasi corpo materiale o particella massiva, anche a riposo, possiede un'energia proporzionale alla sua massa. È quindi possibile formulare una equivalenza fra queste grandezze fisiche nel senso che massa ed energia possono essere considerate come due proprietà indistinguibili.

La formula E=mc2 può essere interpretata in due modi, entrambi corretti, a seconda del significato che si dà ai termini di massa ed energia. La prima possibilità, esplorata nell'articolo di Einstein del 1905 "L'inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto di energia?",[1] si basa sul concetto di massa relativistica  , dal quale si ricava che l'energia totale di un corpo è  . La seconda possibilità è quella di interpretare l'equazione in termini della massa a riposo  , cioè la massa dell'oggetto nel sistema di riferimento in cui è in quiete: quindi   esprime l'energia a riposo   di un corpo.

La massa relativistica   è legata alla massa a riposo tramite il fattore di Lorentz  :

Massa relativistica  
Massa a riposo  
Energia totale  
Energia a riposo  
 

e appare nella versione relativistica del secondo principio della dinamica

 .

Poiché la massa relativistica dipende dalla velocità, il concetto classico di inerzia risulta modificato, non coincidendo più con la definizione newtoniana di costante di proporzionalità fra la forza applicata a un corpo e l'accelerazione risultante, ma divenendo una grandezza dinamica proporzionale all'energia globale del corpo.

La conservazione dell'energia meccanica comprende ora, oltre all'energia cinetica e all'energia potenziale, anche un contributo proporzionale alla massa quale ulteriore forma di energia. L'energia totale relativistica del corpo, data da E = mc², comprende sia l'energia cinetica K sia quella relativa alla massa a riposo, E0 = m0.

Nella fisica classica non relativistica esistono due leggi (o princìpi) di conservazione ben distinte e separate: la legge di conservazione della massa, scoperta da Lavoisier («In natura nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma») e la legge di conservazione dell'energia, o primo principio della termodinamica, alla cui scoperta hanno contribuito, nel corso dell'Ottocento, diversi scienziati (Mayer, Joule, Carnot, Thomson, Clausius, Faraday).

Einstein ha unificato le due leggi in un unico principio di conservazione, che coinvolge unitariamente tutti i processi fisici di trasformazione della massa in energia e viceversa, dato che l'una può trasformarsi nell'altra secondo la relazione E = mc². Ciò che resta sempre costante, nei singoli sistemi fisici come nell'intero universo, è la somma di massa ed energia: il principio di conservazione massa-energia. La concezione einsteiniana getta una luce unificante sulla realtà fisica: con l'equivalenza massa-energia, la massa diventa una forma di energia. In determinati processi, la massa può essere trasformata in altre forme d'energia (annichilazioni particella-antiparticella, reazioni nucleari, decadimenti radioattivi, ecc.), così come l'energia può trasformarsi in massa, come si verifica negli acceleratori di particelle e nella produzione di coppia  .

L'equazione di Einstein è stata verificata sia per fenomeni fisici macroscopici, come ad esempio la produzione d'energia solare, sia a livello subatomico. Si hanno sei classi di fenomeni subatomici in cui si verifica l'equivalenza massa-energia:

  1. Produzione di coppia  
  2. Annichilazioni particella-antiparticella  
  3. Reazioni nucleari, genericamente  
  4. Trasmutazioni o decadimenti radioattivi  
  5. Fissione nucleare (divisione di un nucleo in due o più nuclei)
  6. Fusione nucleare (unione di due nuclei in uno)

Nella produzione di coppia si può avere una totale conversione d'energia in materia. La completa conversione di massa in energia si verifica invece soltanto nell'annichilazione  . In generale, nel caso di annichilazione particella-antiparticella, solo una coppia quark-antiquark si annichila  , mentre i restanti quark formano nuove particelle (mesoni). Quando un protone collide con un antiprotone (e in generale quando qualsiasi barione collide con un antibarione), la reazione non è semplice come l'annichilazione elettrone-positrone. A differenza dell'elettrone, il protone non è una particella elementare: è composto da tre quark di valenza e da un numero indeterminato di quark del mare, legati dai gluoni. Nella collisione tra un protone e un antiprotone, uno dei quark di valenza   del protone può annichilirsi con un antiquark   dell'antiprotone, mentre i quark e antiquark restanti si risistemeranno in mesoni (principalmente pioni e kaoni) che si allontaneranno dal punto in cui è avvenuta l'annichilazione. I mesoni creati sono particelle instabili che decadranno.

Salvo il caso  , la conversione della massa in energia non è mai completa e l'energia prodotta risulta dal calcolo della difetto di massa. Nelle reazioni che producono energia (esoenergetiche), le masse dei reagenti devono quindi essere maggiori delle masse dei prodotti. Usando l'esempio delle reazioni nucleari, che implicano solitamente 2 reagenti (A e B) e 2 prodotti (C e D), il bilancio di massa determina quale sia il difetto massa Δm:

 

L'energia liberata nel singolo processo nucleare sotto forma d'energia cinetica, radiazione elettromagnetica, calore o altra forma d'energia risulta essere

 .

ConseguenzeModifica

Misurando la massa di diversi nuclei atomici si può ottenere una stima dell'energia di legame disponibile all'interno di un nucleo atomico. È quindi possibile stimare la quantità d'energia di legame che può essere rilasciata in un processo nucleare. Si consideri il seguente esempio: un nucleo di uranio-238 può decadere naturalmente formando un nucleo di torio-234 e uno di elio-4 (particella alfa). Sommando la massa a riposo dei due nuovi nuclei si rileva che essa è minore del nucleo originario di uranio. Risulta una difetto di massa Δm = 7,6 × 10−30 kg, che si è trasformata in energia. L'equazione di Einstein consente di determinare quanta energia è stata liberata dal decadimento radioattivo di un nucleo di uranio: ΔE = Δmc2 = (7,6 × 10−30 kg) × (9 × 1016 m²/s²) = 6,84 × 10−13 J.

L'energia prodotta in una centrale nucleare da una singola fissione è data dalla differenza tra le masse dei nuclei iniziali (uranio + neutrone) e le masse nucleari dei prodotti di fissione. La conversione massa-energia fu cruciale anche nello sviluppo della bomba atomica. La bomba di Hiroshima era di 13 kilotoni, pari a 54,6 TJ (13 × 4,2 × 1012 J). Questa energia equivale a quella teoricamente sprigionata dalla completa conversione di soli 0,60 grammi di materia (54 TJ). L'uranio-238, di per sé non fissile, costituisce oltre il 99% dell'uranio che si trova in natura; solo lo 0,7% dell'uranio reperibile naturalmente è uranio-235, necessario per la fissione nucleare. Per tale motivo l'uranio-238 viene arricchito dell'isotopo 235 prima di essere usato per usi civili (centrali nucleari) o militari.

Durante una reazione nucleare il numero di massa A (numero dei nucleoni = protoni + neutroni) e il numero atomico Z (numero dei protoni) sono conservati, cioè rimangono costanti. Ad esempio, nella reazione nucleare

 

Conservazione del numero dei nucleoni  A: 14 + 4 = 17 + 1
Conservazione della carica elettrica   Z: 7 + 2 = 8 + 1
Nonostante ciò, la somma delle masse dei reagenti non è conservata in quanto varia, dopo la reazione, l'energia di legame con cui i singoli nucleoni sono legati all'interno dei vari nuclei.
Le masse dei reagenti e dei prodotti, espresse in unità di massa atomica (Dalton, Da) sono rispettivamente:
  14,003074   4,002603   masse dei reagenti = 18,005677 Da
  16,999132   1,008665    masse dei prodotti = 18,007797 Da
In questo caso, il difetto di massa è negativo:

 

La reazione è endoenergetica, ovvero necessita d'energia esterna per avvenire. Oltre all'energia di barriera, necessaria per vincere la repulsione coulombiana, l'energia minima perché tale reazione possa avvenire è

 .

Tale energia viene fornita dall'energia cinetica del nucleo di elio (particella α) che va a collidere col nucleo d'azoto. La velocità minima della particella α dev'essere

 

equivalente al 3,25% della velocità della luce.

Anche il processo di fusione nucleare, come tutti i processi fisici di trasformazione della massa in energia e viceversa, avviene rispettando il principio di conservazione della massa–energia. Nel Sole, che ha una temperatura interna di 15 milioni di kelvin, mediante le reazioni di fusione termonucleare (fusione protone-protone dei nuclei di idrogeno), ogni secondo 600 milioni di tonnellate d'idrogeno si trasformano in 595,5 milioni tonnellate di elio. Quindi, dopo questa trasformazione, mancano ogni secondo 4,5 milioni di tonnellate (pari allo 0,75% della massa iniziale). Questo difetto di massa si è trasformato direttamente in radiazione elettromagnetica, ossia in energia, secondo l'equazione E = mc2. Tutta la potenza del Sole è dovuta alla conversione in energia di questa massa mancante, paragonabile approssimativamente alla massa di un piccolo gruppo di montagne sulla Terra. La massa convertita in energia durante 10 miliardi di anni di fusione termonucleare è pari a 1,26 × 1027 kg. Siccome la massa del Sole è di 2 × 1030 kg, 10 miliardi di anni di fusione consumano solo lo 0,063 % della massa solare. Inserendo il valore della massa mancante ogni secondo nell'equazione di Einstein (dove l'energia è espressa in joule = Ws, la massa in kg e c in m/s), si calcola che a esso corrisponde una potenza pari a (4,5 × 109 kg) × (9 × 1016 m2/s2) / 1 s = 4 × 1026 W (watt), ossia a 4 × 1014 TW (terawatt). Per capire l'enormità di questa energia, che espressa in wattora equivale a 1,125 × 1011 TWh, un dato che può fungere da termine di paragone è la produzione mondiale di energia elettrica, che nel 2005 è stata di 17 907 TWh (equivalenti a 716,28 kg di massa). Per eguagliare l'energia prodotta dal Sole in un solo secondo, tutti gli impianti di produzione di energia elettrica del nostro pianeta dovrebbero funzionare a pieno regime per i prossimi 6 282 459 anni.

La completa conversione di 1 chilogrammo di massa equivarrebbe a:

  • 89 875 517 873 681 764 joule (circa 90 000 TJ);
  • 24 965 421 632 000 wattora (circa 25 TWh, equivalenti al consumo d'energia elettrica in Italia nel 2017 in 4 settimane);
  • 21,48076431 megaton;
  • 8,51900643 x 1013 BTU.

Velocità della luce come limiteModifica

La velocità della luce non può essere raggiunta o superata da un corpo per la natura del termine  

 .

Infatti se

 

e di conseguenza

 .

Alla velocità della luce, la massa relativistica e l'energia totale diverrebbero infinite:

 
 

In altre parole, per accelerare un corpo alla velocità della luce serve una quantità infinita di energia. Tale fatto viene spiegato dal punto di vista dinamico con l'aumento dell'inerzia al crescere della velocità.

Approssimazione per basse velocitàModifica

L'energia cinetica relativistica   è data dalla differenza tra l'energia totale   e l'energia a riposo  :

 

che per piccole velocità (v << c) è approssimativamente uguale all'espressione classica dell'energia cinetica,

 .

Si può mostrare che le due forme concordano espandendo   in serie di Taylor:

 .

Inserendolo nell'equazione originaria, si ottiene un'approssimazione all'espressione classica dell'energia cinetica:

 .

L'energia totale relativistica comprende anche l'energia a riposo del corpo, dipendente solo dalla massa a riposo, che non compare invece nella definizione classica dell'energia. L'espressione dell'energia cinetica relativistica è invece equivalente a quella classica per basse velocità v rispetto a c. Questo mostra come la relatività sia una teoria più generale rispetto alla meccanica classica, che rientra nella meccanica relativistica come caso particolare.

Massa invarianteModifica

Massa invariante  
Energia totale  
Energia a riposo  

La massa relativistica non è più usata nel linguaggio relativistico odierno, in quanto potenziale espressione dell'errore concettuale per cui la massa, piuttosto che la sola inerzia, vari con la velocità. Per questa ragione oggi si indica con m la massa invariante a ogni velocità v < c (che coincide numericamente con la massa a riposo  ). Conseguentemente si scrive   per un oggetto in moto o   se in quiete rispetto a un dato sistema di riferimento.[2][3]

Aspetti storiciModifica

Einstein non fu il solo né il primo ad aver messo in relazione l'energia con la massa, ma fu il primo a presentare questa relazione come parte di una teoria generale e ad aver dedotto tale formula nel quadro della relatività ristretta. Va tuttavia osservato che le derivazioni di Planck (1907), Born (1925), Einstein (1950) (vedi Sezione La massa della radiazione elettromagnetica: Poincaré (1900-1904)) e Rohrlich (1990) non richiedono alcun concetto relativistico, essendo l'equazione   ottenibile anche combinando risultati della meccanica classica e dell'elettromagnetismo.

Luce e materia da Newton a Soldner (1704-1804)Modifica

L'idea di un'equivalenza, convertibilità o effetto della materia sulla radiazione risale già a Isaac Newton. Nel quesito 30 dell'Opticks[4] scrisse: «I corpi pesanti e la luce sono convertibili gli uni negli altri.» («Gross bodies and light are convertible into one another.»).[5] Sempre nell'Opticks disse di credere che la gravità possa deflettere la luce. Queste affermazioni non risultano stupefacenti se si considera che Newton riteneva la luce formata da corpuscoli materiali (teoria corpuscolare della luce). Nel 1783 John Michell, docente a Cambridge, suggerì in una lettera a Henry Cavendish (successivamente pubblicata nei rendiconti della Royal Society[6]) che stelle sufficientemente massive e compatte avrebbero trattenuto la luce a causa del loro intenso campo gravitazionale. La velocità di fuga dal corpo celeste sarebbe potuta risultare superiore alla velocità della luce, dando luogo a quella che egli chiamò una "stella oscura" (dark star), oggi nota come buco nero. Nel 1798 Pierre-Simon de Laplace riportò quest'idea nella prima edizione del suo Traité de mécanique céleste.[7]Johann von Soldner fu tra i primi ad avanzare l'ipotesi che la luce, in base alla teoria corpuscolare di Newton, possa subire una deviazione quando passa in prossimità di un corpo celeste.[5] In un articolo del 1801, pubblicato nel 1804,[8] calcolò il valore della deviazione di un raggio luminoso proveniente da una stella quando passa in prossimità del Sole.

L'etere come causa dell'equivalenza massa-energia (1851-1875)Modifica

Julius Robert von Mayer usò   nel 1851 per esprimere la pressione esercitata dell'etere su un corpo di massa  : «Se una massa  , originariamente a riposo, mentre attraversa lo spazio efficace  , sotto l'influenza e nella direzione della pressione  , acquisisce la velocità  , abbiamo  . Tuttavia, poiché ogni produzione di movimento implica l'esistenza di una pressione (o di una trazione) e uno spazio efficace (e anche l'esaurimento di almeno uno di questi fattori, lo spazio effettivo), ne consegue che il movimento non può mai entrare in esistenza tranne al costo di questo prodotto,  [9][5]

Samuel Tolver Preston (1844 – 1917), ingegnere e fisico inglese, pubblicò nel 1875 il libro Physics of the Ether con l'intento di sostituire la nozione newtoniana d'azione a distanza, ritenuta spiriritualistica, con il concetto meccanico di etere. L'energia implicata nel seguente esempio citato da Preston equivale[5] a  : «Per dare un'idea, in primo luogo, dell'enorme intensità del deposito di energia raggiungibile per mezzo di quell'esteso stato di suddivisione della materia che rende praticabile un'alta velocità normale, si può calcolare che [...] una quantità di materia che rappresenta una massa di un chicco munita della velocità delle particelle di etere, racchiude una quantità di energia che, se interamente utilizzata, sarebbe capace di proiettare un peso di centomila tonnellate ad un'altezza di quasi due miglia (1,9 miglia).»[10][5]

La massa elettromagnetica dell'elettrone (1881-1906)Modifica

Nei primi anni del XX secolo molti fisici aderirono ad una teoria elettromagnetica della natura, che riteneva le leggi dell'elettromagnetismo di Maxwell più fondamentali di quelle meccaniche di Newton.[11] In questo contesto vennero svolte ricerche per attribuire ad effetti elettromagnetici l'origine della massa della materia.

Oggetti carichi possiedono una inerzia maggiore rispetto agli stessi corpi scarichi. Ciò si spiega con una interazione delle cariche elettriche in moto con il campo da esse stesse generato, detta reazione di campo; l'effetto è interpretabile come un aumento della massa inerziale del corpo ed è ricavabile dalle equazioni di Maxwell. Nel 1881 Joseph John Thomson, che nel 1896 scoprirà l'elettrone, fece un primo tentativo di calcolare il contributo elettromagnetico alla massa.[12] Una sfera carica in moto nello spazio (che si riteneva riempito dall'etere luminifero, con una sua induttanza  ) risulta più difficile da mettere in moto rispetto a un corpo privo di carica (caso analogo all'inerzia dei corpi nei fluidi,[13] studiata da George Gabriel Stokes nel 1843). A causa dell'auto-induzione, l'energia elettrostatica sembra mostrare una sua quantità di moto e una massa elettromagnetica   che fa aumentare la massa a riposo   dei corpi carichi in movimento. Thomson calcolò il campo magnetico generato da una sfera elettricamente carica in movimento, mostrando che tale campo induce un'inerzia (massa) sulla sfera stessa. Il risultato di Thomson dipende dal raggio, dalla carica e dalla permeabilità magnetica della sfera. Nel 1889 Oliver Heaviside generalizzò il risultato di Thomson,[14] mostrando che la massa elettromagnetica risulta essere

 ,

dove   è l'energia del campo elettrico della sfera. Chiaramente questo risultato si applica solo ad oggetti carichi e in movimento, quindi non ad ogni corpo dotato di massa. Fu tuttavia il primo serio tentativo di connettere massa ed energia.[15][16] Ulteriori lavori, che contribuirono a definire la massa elettromagnetica dell'elettrone (classicamente visto come una piccola sfera carica elettricamente), vennero da Joseph John Thomson (1893), George Frederick Charles Searle (1864 - 1954), fisico inglese, (1897), Walter Kaufmann (1901), Max Abraham (1902, 1904 e 1905) ed Hendrik Lorentz (1892,[17] 1899 e 1904).

Nel 1893 Joseph John Thomson notò che l'energia e quindi la massa dei corpi carichi dipendono dalla loro velocità, e che la velocità della luce costituisce una velocità limite: «una sfera carica che si muove alla velocità della luce si comporta come se la sua massa fosse infinita [...] in altre parole è impossibile aumentare la velocità di un corpo carico che si muove in un dielettrico oltre quella della luce.»[18] Nel 1897 il fisico inglese George Frederick Charles Searle (1864 - 1954) fornì una formula per l'energia elettromagnetica di una sfera carica in movimento,[19] confermando le conclusioni di Thomson. Walter Kaufmann[20] nel 1901 e Max Abraham[21] nel 1902 calcolarono la massa elettromagnetica di corpi carichi in movimento. Abraham si accorse però che tale risultato era valido solo nella direzione di moto longitudinale rispetto all'etere e definì quindi anche una massa elettromagnetica trasversale   oltre a quella longitudinale  . Hendrik Lorentz, nel 1899[22] e nel 1904,[23] produsse due articoli sulla teoria dell'elettrone di Lorentz, che prevedeva una contrazione delle lunghezze nella direzione del moto. La massa longitudinale e quella trasversale dipendevano (Lorentz 1904[23]) dalla velocità in due modi diversi:

 

dove   è il fattore di Lorentz

 .

Nell'ambito della teoria elettromagnetica della natura, Wilhelm Wien[24] (noto per i suoi lavori del 1896 sullo spettro del corpo nero) nel 1900 e Max Abraham[21] nel 1902 giunsero indipendentemente alla conclusione che l'intera massa   dei corpi è dovuta ad effetti elettromagnetici, e coincide quindi con la massa elettromagnetica  . Nel 1906 Henri Poincaré sostenne[25] che la massa è un effetto del campo elettrico che agisce nell'etere luminifero, implicando che non esiste realmente alcuna massa. Quindi, siccome la materia è inseparabilmente connessa alla sua massa, secondo Poincaré anche la materia non esiste: gli elettroni sarebbero solamente concavità nell'etere. Tuttavia ben presto si dovette rinunciare all'idea di una massa puramente elettromagnetica dell'elettrone. Nel 1904 Max Abraham sostenne che era necessaria anche un'energia non elettromagnetica (in misura pari ad  ) per evitare che l'elettrone contrattile di Lorentz esplodesse[26]. L'anno dopo - contraddicendo le sue tesi del 1902 - dubitò della possibilità di sviluppare un modello consistente dell'elettrone su basi esclusivamente elettromagnetiche.[27]

Per risolvere i problemi della teoria dell'elettrone di Lorentz, nel 1905[28] e nel 1906[29] Henri Poincaré introdusse un termine correttivo ("Poincaré stresses") di natura non elettromagnetica. Come già sostenuto da Abraham, il contributo non elettromagnetico secondo Poincaré risulta pari a

 .

Lo stress di Poincaré - che risolve il problema dell'instabilità dell'elettrone di Lorentz - resta inalterato per trasformazioni di Lorentz (ovvero è Lorentz invariante). Era interpretato come la ragione dinamica della contrazione di Lorentz-FitzGerald della dimensione longitudinale dell'elettrone. Restava da capire l'origine del fattore 4/3 che compare nella massa elettromagnetica   di Heaviside, derivabile anche dalle equazioni di AbrahamLorentz dell'elettrone. Se si calcola il contributo puramente elettrostatico alla massa elettromagnetica dell'elettrone, il termine 4/3 scompare:

 ,

mettendo in luce l'origine dinamica del contributo non elettromagnetico  :

 .

Tenendo conto del termine non elettromagnetico di Poincaré, le relazioni tra le diverse masse ed energie diventano:[30][31]

 .

Quindi il fattore 4/3 compare quando la massa elettromagnetica   viene riferita all'energia elettromagnetica  , mentre scompare se si considera l'energia a riposo  :

 

Le formule precedenti - nonostante contengano il termine non elettromagnetico   - identificano, come sostenuto da Poincaré,[25] la massa a riposo dell'elettrone con la massa elettromagnetica:   e presentano quindi un evidente problema interpretativo, che richiederà molti anni per essere risolto.

Max von Laue nel 1911[32] mostrò che, a causa del fattore 4/3, il quadrimpulso relativistico non si comporta come un quadrivettore nello spaziotempo di Minkowski. Anche von Laue utilizzò lo stress di Poincaré  , ma dimostrò con un formalismo rigorosamente relativistico che vi sono ulteriori componenti di stress e forze. Per sistemi spazialmente estesi come l'elettrone di Lorentz, in cui si hanno sia energie elettromagnetiche sia non elettromagnetiche, il risultato complessivo è che forze e momenti si trasformano correttamente come quadrivettori che formano un sistema chiuso. Nel formalismo di von Laue il fattore 4/3 si manifesta solo se si considera la massa elettromagnetica:

 .

Invece nel sistema complessivo la massa a riposo   e l'energia risultano connesse dalla formula di Einstein,[31] il cui fattore è uguale a 1:

 .

La definitiva soluzione al problema dei 4/3 fu trovata, nell'arco di oltre 60 anni, da ben quattro autori diversi: Enrico Fermi (1922),[33]Paul Dirac (1938),[34] Fritz Rohrlich (1921 - 2018), fisico americano, (1960),[35] Julian Schwinger (1983).[36] Divenne chiaro che la stabilità dell'elettrone e la presenza del fattore 4/3 nella massa elettromagnetica sono problemi diversi. Venne inoltre dimostrato che le precedenti definizioni dei quadrimpulsi erano intrinsecamente non relativistiche. Ridefinendoli nella forma relativisticamente corretta di quadrivettori, anche la massa elettromagnetica viene scritta come

 

e quindi il fattore 4/3 scompare completamente.[31] Ora non solo il sistema chiuso nella sua totalità, ma ogni parte del sistema si trasforma correttamente come un quadrivettore. Forze di legame come gli stress di Poincaré sono ancora necessarie per evitare che, per repulsione coulombiana, l'elettrone esploda. Ma si tratta ora di un problema di stabilità dinamica, del tutto distinto dalle formule d'equivalenza massa-energia.

La massa della radiazione elettromagnetica: Poincaré (1900-1904)Modifica

Un altro modo di derivare l'equivalenza massa-energia è basato sulla pressione di radiazione o tensione del campo elettromagnetico, introdotta da James Clerk Maxwell nel 1874 e da Adolfo Bartoli nel 1876. Nel 1950 Albert Einstein attribuì l'origine della formula   alle equazioni di campo di Maxwell.[37] La pressione di radiazione è

 

dove   è il flusso d'energia elettromagnetica. Siccome

 

con   tasso di variazione dell'energia ricevuta dal corpo, la forza   esercitata su un corpo assorbente della radiazione elettromagnetica risulta essere

 .

D'altra parte, per la quantità di moto   assorbita dal corpo, vale

 .

Dal confronto tra le due equazioni si ricava

 

Se la quantità di moto   viene scritta come prodotto della massa   acquisita dal corpo assorbendo la radiazione per la velocità   della radiazione incidente (ipotesi ad hoc necessaria per ottenere il risultato voluto), si ricava

 

Va specificato che l'implicazione sopra indicata non costituisce una prova della relazione   e che l'equivalenza ad hoc   non si trova né in Maxwell né in Bartoli, ma è stata proposta solo a posteriori (nel 1950) da Einstein.

Nel 1895 Hendrik Lorentz riconobbe che tali tensioni del campo elettromagnetico si debbono manifestare anche nella teoria dell'etere luminifero stazionario da lui proposta.[38] Ma se l'etere è in grado di mettere in moto dei corpi, per il principio d'azione e reazione anche l'etere deve essere messo in moto dai corpi materiali. Tuttavia il moto di parti dell'etere è in contraddizione con la caratteristica fondamentale dell'etere, che deve essere immobile. Quindi, per mantenere l'immobilità dell'etere, Lorentz ammetteva esplicitamente un'eccezione al principio d'azione e reazione.

Nel 1900 Henri Poincaré analizzò il conflitto tra il principio d'azione e reazione e l'etere di Lorentz.[39] Cercò di capire se il baricentro o centro di massa di un corpo si muova ancora a velocità uniforme quando sono coinvolti campo elettromagnetico e radiazione. Notò che il principio d'azione e reazione non vale per la sola materia, in quanto il campo elettromagnetico ha un sua quantità di moto (già derivata anche da Joseph John Thomson nel 1893,[40] ma in maniera più complicata). Poicaré concluse che il campo elettromagnetico agisce come un fluido fittizio con una massa equivalente a

 .

Se il centro di massa è definito usando sia la massa m della materia sia la massa   del fluido fittizio, e se quest'ultimo non viene né creato né distrutto, allora il moto del centro di massa risulta uniforme. Ma il fluido elettromagnetico non è indistruttibile, in quanto può essere assorbito dalla materia (per questo motivo Poincaré aveva chiamato il fluido fittizio anziché reale). Quindi il principio d'azione e reazione verrebbe ancora violato dall'etere di Lorentz. La soluzione al problema (equivalenza massa-energia) sarà trovata da Einstein col suo articolo[1] del 1905: la massa del campo elettromagnetico viene trasferita alla materia nel processo d'assorbimento. Ma Poincaré formulò invece una diversa ipotesi, assumendo che in ogni punto dello spazio esista un fluido immobile d'energia non-elettromagnetica, dotato di una massa proporzionale alla sua energia. Quando il fluido fittizio elettromagnetico è emesso o assorbito, la sua massa/energia non è emessa o assorbita dalla materia, ma viene invece trasferita al fluido non-elettromagnetico, rimanendo esattamente nella stessa posizione. Con questa improbabile ipotesi, il moto del centro di massa del sistema (materia + fluido fittizio elettromagnetico + fluido fittizio non-elettromagnetico) risulta uniforme.

Tuttavia - siccome solo la materia e la radiazione elettromagnetica, ma non il fluido non-elettromagnetico, sono direttamente osservabili in un esperimento - quando si considera empiricamente un processo d'emissione o assorbimento, la soluzione proposta da Poicaré viola ancora il principio d'azione e reazione. Ciò conduce ad esiti paradossali quando si cambia il sistema di riferimento. Studiando l'emissione di radiazione da un corpo e il rinculo dovuto alla quantità di moto del fluido fittizio, Poincaré notò che una trasformazione di Lorentz (al primo ordine in v/c) dal sistema di riferimento del laboratorio al sistema di riferimento del corpo in movimento risulta conservare l'energia, ma non la quantità di moto. Ciò comporterebbe la possibilità di un moto perpetuo, ovviamente impossibile. Inoltre le leggi di natura sarebbero differenti nei due diversi sistemi di riferimento, ed il principio di relatività sarebbe violato. Concluse quindi che nell'etere debba agire un altro sistema di compensazione, diverso da quello dei fluidi fittizi.[30][41] Poincaré tornò sull'argomento nel 1904,[42] rifiutando la soluzione da lui proposta nel 1900 che movimenti nell'etere possano compensare il moto di corpi materiali, perché simili ipotesi sono sperimentalmente inosservabili e quindi scientificamente inutili. Abbandonò inoltre l'idea di un'equivalenza massa-energia e a proposito del rinculo dei corpi materiali che emettono radiazione elettromagnetica scrisse: «L'apparato rinculerà come se un cannone avesse sparato un proiettile, contraddicendo il principio di Newton, poiché il proiettile in questo caso non è massa, è energia

La massa della radiazione di corpo nero: Hasenöhrl (1904-1905) e Planck (1907)Modifica

L'idea di Poincaré d'associare una massa e una quantità di moto alla radiazione elettromagnetica si dimostrò feconda. Nel 1902 Max Abraham introdusse[21] il termine "momento elettromagnetico" con densità di campo pari a   per cm3 e   per cm2. Al contrario di Lorentz e Poincaré, che lo consideravano fittizio, Abraham sostenne che fosse un ente fisico reale, che consentiva la conservazione complessiva della quantità di moto.

Nel 1904 Friedrich Hasenöhrl, studiando la dinamica di un corpo nero in movimento, associò il concetto d'inerzia alla radiazione elettromagnetica della cavità.[43] Hasenöhrl suggerì che parte della massa del corpo (che denominò massa apparente) può essere attribuita alla radiazione che rimbalza dentro la cavità. Siccome ogni corpo riscaldato emette radiazione elettromagnetica, la massa apparente della radiazione dipende dalla temperatura e risulta proporzionale alla sua energia:  . Abraham corresse questo risultato di Hasenöhrl: in base alla definizione del "momento elettromagnetico" e della massa elettromagnetica longitudinale  , il valore della costante di proporzionalità avrebbe dovuto essere 4/3:

 ,

come per la massa elettromagnetica   di un corpo elettricamente carico in movimento. Nel 1905 Hasenöhrl rifece i calcoli, confermando il risultato di Abraham. Notò inoltre la similarità tra la massa apparente   di un corpo nero e quella elettromagnetica   di un corpo carico.[44][45] Circa il termine 4/3 e la sua successiva eliminazione, si veda la parte finale della Sezione La massa elettromagnetica dell'elettrone (1881-1906).

Nel 1907 Max Planck, generalizzando il lavoro di Hasenöhrl, fornì una derivazione non relativistica della formula  :«mediante ogni assorbimento o emissione di calore la massa inerziale di un corpo si modifica, e l'incremento di massa è sempre uguale alla quantità di calore [...] divisa per il quadrato della velocità della luce nel vuoto.»[46]

L'articolo di Einstein sull'equivalenza massa-energia (1905)Modifica

Einstein non utilizzò i simboli con cui oggi conosciamo la sua equazione nel suo articolo del 1905 "L'inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto di energia?"[1] (uno degli articoli entrato a far parte della raccolta chiamata Annus Mirabilis Papers), ma lo fece successivamente. In quel suo primo articolo esaminò dapprima il caso della diminuzione di energia di un corpo sotto forma di radiazione in un sistema di riferimento in cui il corpo è in movimento e della conseguente perdita di massa, giungendo all'equazione nella forma:

 

dove   (invece di  ) rappresentava l'energia irraggiata dal corpo di cui una parte   della massa veniva convertita in luce, mentre   era usato nella dimostrazione per rappresentare l'energia totale.

Generalizzò quindi il concetto affermando che: «Se un corpo perde l'energia L sotto forma di radiazioni, la sua massa diminuisce di L/c². Il fatto che l'energia sottratta al corpo diventi energia di radiazione non fa alcuna differenza, perciò siamo portati alla più generale conclusione che la massa di qualunque corpo è la misura del suo contenuto di energia; se l'energia varia di L, la massa varia nello stesso senso di  , misurando l'energia in erg e la massa in grammi.». In queste parole c'è la chiara consapevolezza di Einstein sulla validità universale della sua scoperta.

Nella parte finale dell'articolo, Einstein suggerì d'indagare il radio, un elemento radioattivo, per verificare l'equivalenza massa-energia nel caso d'emissione radioattiva: «Non è impossibile che nei corpi nei quali il contenuto in energia sia variabile in sommo grado (per esempio nei sali di radio) la teoria possa essere sperimentata con successo.». In effetti, sarà proprio nel campo della fisica nucleare che si avranno sistematiche conferme della validità dell'equazione  .

Derivazione di Born (1925)Modifica

Nel suo libro del 1925 Vorlesungen über Atommechanik (Lezioni sulla meccanica atomica), tradotto in italiano col titolo Fisica atomica,[47] Max Born fornisce una derivazione meccanica ed elettromagnetica, originariamente proposta da Einstein, della formula  [48] Tale dimostrazione viene riportata in una versione modificata dai fisici italiani Enrico Smargiassi[49] e Gianluca Introzzi (intermittenza dell'emettitore  ), in modo da introdurre il moto perpetuo come esito paradossale che richiede l'equivalenza massa-energia   per essere eliminato.

Si abbia una scatola a forma di parallelepipedo isolata, non soggetta a forze o attriti esterni e ferma rispetto ad un riferimento inerziale. All'interno sono fissati, sulle due pareti minori, un emettitore direzionale di luce intermittente   a sinistra ed un assorbitore   a destra, di ugual massa e distanti   tra loro. La massa complessiva del sistema scatola, emettitore e assorbitore sia  . Se   è l'energia di un segnale luminoso, il momento associato risulta essere   (vedi Sezione La massa della radiazione elettromagnetica: Poincaré (1900-1904)). L'emissione verso destra del segnale luminoso da parte della sorgente   produce un rinculo della scatola verso sinistra, a causa del momento della scatola  , dove   è la velocità di spostamento della scatola verso sinistra. La scatola continuerà a muoversi verso sinistra, fino a che il segnale luminoso non sarà assorbito dall'assorbitore  . Il momento   trasferito dalla luce all'assorbitore compenserà esattamente quello   della scatola, arrestando il movimento del sistema. Il risultato netto sarà uno spostamento della scatola verso sinistra di una distanza  .

Dalla conservazione della quantità di moto ( ) scritta esplicitamente:

 

si ricava la velocità:

 .

Il tempo   è quello di volo del segnale luminoso dalla sorgente   all'assorbitore  . A meno di termini correttivi dell'ordine di  , il suo valore è

 .

Quindi

 .

Questo riultato è paradossale: un sistema isolato fermo in un riferimento inerziale non può spostare il proprio centro di massa (sarebbe equivalente ad uscire dalle sabbie mobili tirandosi per i propri capelli, come raccontava d'aver fatto il barone di Münchhausen). L'emissione di un secondo segnale luminoso sposterà ulteriormente la scatola a sinistra di una lunghezza  . Continuando l'emissione e l'assorbimento di segnali luminosi nella scatola, sembrerebbe possibile ottenerne lo spostamento per distanze arbitrariamente grandi, senza che nessun altro cambiamento avvenga dentro la scatola o nelle sue vicinanze. Sarebbe la realizzazione del moto perpetuo, ovviamente impossibile. I due apparenti paradossi (spostamento del centro di massa e moto perpetuo) scompaiono se si tien conto dell'equivalenza massa-energia di Einstein. Con l'emissione del segnale luminoso, l'emettitore   perde l'energia  , e quindi una massa   (per ora incognita). Similmente, l'energia e quindi la massa dell'assorbitore   aumentano delle stesse quantità. Per la conservazione della quantità di moto, il momento totale dovuto allo spostamento delle due masse   ed   durante il tempo di volo della luce   è

 ,

da cui si ricava

 .

Sostituendo in questa relazione il valore precedentemente trovato per  , si ottiene infine

 .

Derivazione di Rohrlich (1990)Modifica

Il fisico americano Fritz Rohrlich (1921 - 2018) è riuscito a dimostrare nel 1990 la formula   senza servirsi di relazioni di tipo relativistico, basandosi esclusivamente sulle leggi della fisica classica, quali il principio di conservazione della quantità di moto e l'effetto Doppler.[50]

Si consideri un corpo materiale   di massa   che si muova rispetto a un osservatore   con la velocità costante   molto bassa rispetto a quella della luce. Inoltre si prenda in considerazione un secondo osservatore   in quiete rispetto a  . Si supponga che a un certo istante   il corpo   emetta due fotoni con la stessa energia  , dove   è la costante di Planck e   la frequenza dei fotoni osservata da  , in quiete rispetto a  . I due fotoni sono emessi uno nella direzione del moto, l'altro in direzione opposta. Tenendo conto dell'effetto Doppler, l'osservatore   misurerà invece una frequenza pari a

 

per il fotone emesso in direzione del moto e pari a

 

per quello emesso in direzione opposta.

L'energia radiante   emessa all'istante   che è osservata da   sarà dunque

 

Inoltre, per il principio di conservazione, la quantità di moto del corpo   osservata da   prima dell'emissione deve essere pari alla somma delle quantità di moto di   e dei due fotoni dopo l'emissione (si noti che la quantità di moto del secondo fotone, poiché emesso in direzione contraria al moto, va presa col segno negativo), quindi:

 

dove:

  •   = massa del corpo C prima dell'emissione
  •   = velocità del corpo C prima dell'emissione
  •   = massa del corpo C dopo l'emissione
  •   = velocità del corpo C dopo l'emissione
  •   = quantità di moto del fotone emesso in direzione del moto
  •   = quantità di moto del fotone emesso in direzione contraria a quella del moto

Data la natura simmetrica dell'effetto, l'osservatore   non rileverà dopo l'emissione dei due fotoni alcun cambiamento di moto del corpo  , che continuerà quindi a trovarsi in quiete rispetto a lui. Quindi per l'osservatore   dopo l'emissione sia l'osservatore  , sia il corpo   continueranno a muoversi con velocità   invariata. Perciò si conclude che  . Sostituendo   con   nell'equazione sulla quantità di moto ed introducendo la riduzione di massa   del corpo   dopo l'emissione pari a  , dopo facili passaggi algebrici dalla si ottiene:

 

da cui, tenendo presente che  , si ottiene:

 

ovvero che l'energia   irradiata dal corpo   è pari alla perdita di massa subita da   in seguito all'emissione, moltiplicata per il quadrato della velocità della luce nel vuoto.

NoteModifica

  1. ^ a b c d A. Einstein, Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? [L'inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto di energia?], in Annalen der Physik, vol. 18, 1905, pp. 639-641. Traduzione italiana in A. Einstein, Opere scelte, a cura di E. Bellone, Torino, Bollati Boringhieri, 1988, pp. 178-180.
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  48. ^ M. Born, Fisica atomica, Torino, Boringhieri, 1968, pp. 78-79 e 403.
  49. ^ È possibile ricavare l'equazione E = mc^2 dalla fisica classica ?, su www-dft.ts.infn.it. URL consultato il 4 giugno 2019.
  50. ^ (EN) F. Rohrlich, An elementary derivation of E=mc², in American Journal of Physics, vol. 58, nº 4, aprile 1990, p. 348.

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