Non importa chi sei, dove ti trovi o quanto velocemente ti muovi, le leggi della fisica ti appariranno sempre esattamente le stesse che a qualsiasi altro osservatore nell’Universo. Questo concetto – che le leggi della fisica non cambiano mentre ci si sposta da un luogo a un altro o da un momento all’altro – è noto come principio di relatività e risale non solo a Einstein, ma anche prima.

Se eserciti una forza su un oggetto, questo accelera (cioè cambia la sua quantità di moto) e la quantità della sua accelerazione è direttamente correlata alla forza esercitata sull’oggetto divisa per la sua massa. In termini di equazione, questo è il famoso F = m a di Newton: la forza è uguale alla massa per l’accelerazione.

Quando abbiamo scoperto particelle che si muovevano vicino alla velocità della luce, però, improvvisamente è emersa una contraddizione: se si esercita con continuità una grande forza su una piccola massa, e l’applicazione di una forza provoca accelerazione, dovrebbe essere possibile accelerare un oggetto massiccio fino a raggiungere o addirittura superare la velocità della luce! Questo non è possibile, invece, ed è stata la relatività di Einstein a spiegarci perché

Si tratta di quella che chiamiamo “massa relativistica“, o l’idea che man mano che ci si avvicina alla velocità della luce, la massa di un oggetto aumenta, quindi la stessa forza provoca un’accelerazione minore, impedendogli di raggiungere la velocità della luce. 

Ma questa interpretazione della “massa relativistica” è corretta? Solo un po’. Ecco la scienza del perché.

La prima cosa che è fondamentale capire è che il principio di relatività, non importa quanto velocemente ti muovi o dove ti trovi, è sempre vero: le leggi della fisica sono davvero le stesse per tutti, indipendentemente da dove tu ti trovi o quando stai effettuando la misurazione. La cosa che Einstein sapeva (che sia Newton che Galileo non avevano modo di sapere) era questa: la velocità della luce nel vuoto è esattamente la stessa per tutti.

Immagina di avere un’auto che può viaggiare a 100 chilometri all’ora. Immagina, attaccato a quell’auto, di avere un cannone in grado di accelerare una palla di cannone da fermo alla stessa identica velocità: 100 chilometri all’ora. Ora, immagina che la tua macchina si muova e spari quella palla di cannone e puoi controllare in che direzione è puntato il cannone.

• Se punti il ​​cannone nella stessa direzione in cui si muove l’auto, la palla di cannone si muoverà a 200 km / h: la velocità dell’auto più la velocità della palla di cannone.
• Se punti il ​​cannone verso l’alto mentre l’auto si muove in avanti, la palla di cannone si muoverà a 141 km / h: una combinazione di avanti e in alto, con un angolo di 45 gradi.
• Se punti il ​​cannone in retromarcia, sparando la palla di cannone all’indietro mentre l’auto si muove in avanti, la palla di cannone uscirà a 0 km / h (0 mph): le due velocità identiche si annulleranno a vicenda.

Questo è ciò che sperimentiamo comunemente, in linea con ciò che ci aspettiamo. E questo è vero anche sperimentalmente, almeno per il mondo non relativistico. Ma se invece sostituissimo quel cannone con una torcia, la storia sarebbe molto diversa. Puoi prendere una macchina, un treno, un aereo o un razzo, viaggiando a qualsiasi velocità tu voglia, e puntare una torcia in qualsiasi direzione tu voglia.

Quella torcia emetterà fotoni alla velocità della luce, ovvero 299.792.458 m / s, e quei fotoni viaggeranno sempre alla stessa esatta velocità.

• Puoi sparare i fotoni nella stessa direzione in cui si muove il tuo veicolo e si muoveranno comunque a 299.792.458 m / s.
• Puoi sparare i fotoni ad un angolo rispetto alla direzione in cui ti stai muovendo e, sebbene ciò possa cambiare la direzione del movimento dei fotoni, si muoveranno comunque alla stessa velocità: 299.792.458 m / s.
• E puoi sparare i fotoni direttamente invertiti nella tua direzione di movimento, e comunque viaggeranno a 299.792.458 m / s.

La velocità a cui viaggiano i fotoni sarà sempre la stessa, la velocità della luce, non solo dal tuo punto di vista, ma dal punto di vista di chiunque stia guardando. L’unica differenza che chiunque vedrà, a seconda della velocità con cui ti muovi (l’emettitore) e loro (l’osservatore), è nella lunghezza d’onda di quella luce: più rossa (lunghezza d’onda maggiore) se vi allontanate reciprocamente da ciascuno altro, più blu (lunghezza d’onda più corta) se vi muovete l’uno verso l’altro.

Questa era la consapevolezza chiave che Einstein ebbe quando stava elaborando la sua teoria originale della Relatività Speciale. Cercò di immaginare che aspetto avrebbe avuto la luce – che sapeva essere un’onda elettromagnetica – a qualcuno che stava seguendo quell’onda a velocità vicine alla velocità della luce.

Anche se spesso non la pensiamo in questi termini, il fatto che la luce sia un’onda elettromagnetica significa:

• che questa onda luminosa trasporta energia,
• che crea campi elettrici e magnetici mentre si propaga nello spazio,
• quei campi oscillano, in fase e ad angoli di 90 gradi l’uno rispetto all’altro,
• e quando passano accanto ad altre particelle cariche, come gli elettroni, possono farle muovere periodicamente, perché le particelle cariche subiscono forze (e quindi accelerazioni) quando sono soggette a campi elettrici e / o magnetici.

Questo fu cementato negli anni 1860 e 1870, all’indomani del lavoro di James Clerk Maxwell, le cui equazioni sono ancora sufficienti per governare la totalità dell’elettromagnetismo classico. Utilizzate questa tecnologia quotidianamente: ogni volta che un’antenna “raccoglie” un segnale, quel segnale proviene dalle particelle cariche in quell’antenna che si muovono in risposta a quelle onde elettromagnetiche.

Einstein ha cercato di pensare a come sarebbe stato seguire questa onda da dietro, con un osservatore intento a guardare i campi elettrici e magnetici oscillare davanti a loro. Ma, ovviamente, questo non accade mai. Non importa chi sei, dove ti trovi, quando sei o quanto velocemente ti muovi, tu e tutti gli altri vedete sempre la luce muoversi esattamente alla stessa velocità: la velocità della luce.

Ma non tutto ciò che riguarda la luce è lo stesso per tutti gli osservatori. Il fatto che la lunghezza d’onda della luce osservata cambi in base a come la sorgente e l’osservatore si muovono l’una rispetto all’altra significa che anche alcune altre cose sulla luce devono cambiare.

• La frequenza della luce deve cambiare, perché la frequenza moltiplicata per la lunghezza d’onda è sempre uguale alla velocità della luce, che è una costante.
• L’energia di ogni quanto di luce deve cambiare, perché l’energia di ogni fotone è uguale alla costante di Planck (che è una costante) moltiplicata per la frequenza.
• E anche la quantità di moto di ogni quanto di luce deve cambiare, perché la quantità di moto (per la luce) è uguale all’energia divisa per la velocità della luce.

Quest’ultima parte è fondamentale per la nostra comprensione, perché lo slancio è il collegamento chiave tra il nostro modo di pensare vecchia scuola, classico, galileiano e newtoniano e il nostro nuovo modo di pensare relativisticamente invariante che è venuto con Einstein.

La luce varia enormemente in energia, dai fotoni dei raggi gamma alle più alte energie fino ai raggi X, la luce ultravioletta, la luce visibile (dal viola al blu al verde al giallo all’arancio al rosso), la luce infrarossa, la luce a microonde e infine luce radio alle energie più basse. 

Maggiore è la tua energia per fotone, minore è la tua lunghezza d’onda, maggiore è la tua frequenza e maggiore è la quantità di quantità di moto che trasporta; minore è la tua energia per fotone, più lunga è la tua lunghezza d’onda, più bassa è la tua frequenza e minore è la tua quantità di moto.

La luce può anche, come lo stesso Einstein dimostrò con la sua ricerca del 1905 sull’effetto fotoelettrico, trasferire energia e quantità di moto nella materia: particelle massicce. 

Se l’unica legge che avessimo fosse la legge di Newton nel modo in cui siamo abituati a vederla – poiché la forza è uguale alla massa per l’accelerazione ( F = m a ) – la luce sarebbe nei guai. Senza massa inerente ai fotoni, questa equazione non avrebbe alcun senso. Ma lo stesso Newton non ha scritto ” F = m a ” come spesso supponiamo, ma piuttosto che “la forza è la velocità di variazione della quantità di moto” o che l’applicazione di una forza provoca una “variazione della quantità di moto” nel tempo.

Cosa significa? Sebbene molti fisici abbiano una propria definizione, quella che mi è sempre piaciuta è “è una misura della quantità del tuo movimento”. Se immagini un cantiere navale, puoi immaginare di eseguire una serie di cose.

• Un gommone potrebbe essere in grado di muoversi in modo relativamente lento o veloce, ma con la sua massa ridotta, il suo slancio rimarrà basso. La forza che esercita sulla banchina, quando si scontra, sarà limitata, e solo le banchine più deboli subiranno danni strutturali se colpite da un gommone.
• Qualcuno che spara con un’arma da fuoco a quel molo, tuttavia, sperimenterà qualcosa di diverso. Anche se i proiettili, che siano proiettili, palle di cannone o qualcosa di più dannoso come i proiettili di artiglieria, possono essere di massa ridotta, si muoveranno a velocità molto elevate (ma comunque non relativistiche). Con lo 0,01% della massa ma il 10000% della velocità, la loro quantità di moto può essere altrettanto alta, ma la forza verrà distribuita su un’area molto più piccola. Il danno strutturale sarà significativo, ma solo in luoghi molto localizzati.
• Oppure potresti far correre un oggetto estremamente lento ma massiccio, come una nave da crociera o una corazzata, in quel molo a una velocità estremamente bassa. Con milioni di volte la massa di un gommone – possono arrivare a decine di migliaia di tonnellate – anche una velocità minima può portare a un molo completamente distrutto. Lo slancio, per oggetti di massa elevata, non scherza.

Il problema è, tornando indietro fino a Newton, che la forza che eserciti su qualcosa è uguale al cambiamento di quantità di moto nel tempo. Se eserciti una forza su un oggetto per un certo tempo, cambierà lo slancio di quell’oggetto di una quantità specifica. Questo cambiamento non dipende da quanto velocemente si muove un oggetto, ma solo dalla “quantità di movimento” che possiede: la sua quantità di moto.

Allora, cos’è che accade alla quantità di moto di un oggetto quando si avvicina alla velocità della luce? 

Questo è davvero quello che cerchiamo di capire quando parliamo di forza, quantità di moto, accelerazione e velocità quando ci avviciniamo alla velocità della luce. Se un oggetto si muove al 50% della velocità della luce e ha un cannone in grado di sparare un proiettile al 50% della velocità della luce, cosa succederà quando entrambe le velocità puntano nella stessa direzione?

Sai che non puoi raggiungere la velocità della luce per un oggetto massiccio, quindi si potrebbe pensare che “50% la velocità della luce + 50% la velocità della luce = 100% la velocità della luce” debba essere sbagliato. Ma la forza su quella palla di cannone cambierà il suo slancio esattamente della stessa quantità quando sparata da un quadro di riferimento in movimento relativistico come lo farà quando sparata da fermo. 

Se sparare la palla di cannone da fermo cambia il suo slancio di una certa quantità, lasciandola con una velocità pari al 50% della velocità della luce, quindi sparandola da una prospettiva in cui si sta già muovendo al 50% la velocità della luce deve cambiare la sua quantità di moto di quella la stessa quantità. 

Perché, allora, la sua velocità non raggiunge il 100% la velocità della luce?

Capire la risposta è la chiave per comprendere la relatività: è perché la formula “classica” per la quantità di moto – quella quantità di moto è uguale alla massa moltiplicata per la velocità – è solo un’approssimazione non relativistica. 

In realtà, devi usare la formula per la quantità di moto relativistica, che è un po’ diversa, e coinvolge un fattore che i fisici chiamano gamma (γ): il fattore di Lorentz, che aumenta man mano che ti avvicini alla velocità della luce. Per una particella in rapido movimento, la quantità di moto non è solo massa moltiplicata per la velocità, ma massa moltiplicata per la velocità moltiplicata per gamma.

Applicare la stessa forza che hai applicato a un oggetto a riposo a un oggetto in movimento, anche in moto relativistico, cambierà comunque il suo momento della stessa quantità, ma tutto quel momento non aumenterà la sua velocità; parte di essa andrà ad aumentare il valore di gamma, il fattore di Lorentz. 

Per l’esempio precedente, un razzo che si muove al 50% della velocità della luce che spara una palla di cannone al 50% della velocità della luce si tradurrà in una palla di cannone che viaggia all’80% della velocità della luce, con un fattore di Lorentz di 1,6667. 

L’idea di “massa relativistica” è molto antica ed è stata resa popolare da Arthur Eddington, l’astronomo il cui studio dell’eclissi solare del 1919 convalidò la teoria della relatività generale di Einstein, ma si prende una certa libertà: si assume che il fattore di Lorentz (γ) e il resto massa (m) si moltiplicano insieme,

Il punto centrale di tutto questo è capire che quando ti avvicini alla velocità della luce, ci sono molte quantità importanti che non obbediscono più alle nostre equazioni classiche. 

Non puoi semplicemente sommare le velocità insieme come facevano Galileo o Newton; devi aggiungerli in modo relativistico. Non puoi semplicemente considerare le distanze come fisse e assolute; devi capire che si contraggono lungo la direzione del movimento. E non puoi nemmeno trattare il tempo come se passasse per te come per qualcun altro; il passare del tempo è relativo e si dilata per gli osservatori che si muovono a velocità relative differenti.

È allettante, ma in definitiva errato, dare la colpa della discrepanza tra il mondo classico e il mondo relativistico all’idea di massa relativistica. 

Per particelle massicce che si muovono vicino alla velocità della luce, questo concetto può essere applicato correttamente per capire perché gli oggetti possono avvicinare, ma non raggiungere, la velocità della luce, ma cade a pezzi non appena si incorporano particelle prive di massa, come i fotoni.

È molto meglio capire le leggi della relatività come sono in realtà piuttosto che cercare di inserirle in una scatola più intuitiva le cui applicazioni sono fondamentalmente limitate e restrittive. 

La fusione nucleare, il processo di generazione di energia combinando due nuclei atomici per formarne uno più pesante, è stata a lungo pubblicizzata come l’energia del futuro. Soprannominata il “potere delle stelle”, l’energia da fusione offre energia pulita, sicura e praticamente illimitata.

Rendere la fusione nucleare commerciale una realtà

Ad oggi, realizzare la fusione sulla Terra è stato notoriamente difficile date le sfide legate al confinamento del plasma rovente. Secondo gli scienziati, i tokamak sono uno dei modi più promettenti per ottenere la fusione nucleare controllata. Questi dispositivi sfruttano i campi magnetici per confinare il plasma caldo a forma di ciambella.

Tokamak Energy, con sede a Oxford, ha rivelato che sta sviluppando una nuova tecnologia di misurazione laser. Secondo l’azienda, questa tecnologia trasformerà le future centrali elettriche a fusione nucleare e la fornitura di energia pulita alla rete controllando le condizioni estreme all’interno delle centrali elettriche.

All’interno delle camere a vuoto a forma di ciambella dei tokamak, dove avvengono le reazioni di fusione, la temperatura del plasma sale a oltre 100 milioni di gradi Celsius. Stabilizzare questo plasma in fiamme è vitale per mantenere le condizioni di fusione.

Il nuovo sistema interferometro a dispersione basato su laser di Tokamak Energy misurerà la densità del combustibile idrogeno all’interno del plasma. L’azienda ritiene che questa tecnologia all’avanguardia aiuterà a sostenere le reazioni di fusione e a fornire energia affidabile alla rete.

“Misurare la densità del plasma è fondamentale per comprendere e controllare il combustibile di fusione e l’efficienza delle future operazioni delle centrali elettriche“, ha affermato il dottor Tadas Pyragius di Tokamak Energy: “Un raggio laser sparato attraverso il plasma interagisce con gli elettroni e ci dice la densità del carburante”. Conoscere la densità è essenziale per sostenere le condizioni di fusione e fornire energia sicura e affidabile alla rete.

“Le condizioni estreme create dal processo di fusione implicano che dobbiamo perfezionare ora la tecnologia diagnostica basata sul laser per portare avanti la nostra missione di fornire energia di fusione pulita, sicura e conveniente negli anni ’30”, ha aggiunto il fisico del plasma.

Nuove tecnologie a supporto della fusione nucleare

Tokamak Energy sta attualmente testando il nuovo sistema interferometro a dispersione laser presso la sua sede di Oxford. In una dichiarazione, la società ha rivelato che il sistema interferometro sarà installato sulla sua macchina di fusione nucleare ST40 entro la fine del 2024.

La ST40 ha battuto i record diventando la prima macchina di fusione nucleare di proprietà privata a raggiungere una temperatura degli ioni del plasma di 100 milioni di gradi Celsius. Inoltre, l’ST40 vanta anche il triplo prodotto più alto raggiunto da un’azienda privata.

Il triplo prodotto è una misura che dipende dalla densità del plasma, dalla temperatura e dal confinamento, parametri cruciali per la fattibilità della fusione nucleare su scala commerciale.

Dopo i risultati da record raggiunti nel 2022, l’ST40 è stato sottoposto a una serie di aggiornamenti hardware, tra cui nuovi alimentatori e sistemi diagnostici. Nel 2023, la società ha spostato la sua attenzione verso il perfezionamento degli scenari del plasma in un tokamak sferico ad alto campo per comprendere meglio la loro comprensione del processo di fusione.

Tokamak Energy ha inoltre rivelato di aver commissionato un sistema diagnostico laser a diffusione Thomson sull’ST40 per fornire letture dettagliate della temperatura e della densità del plasma.

Anche se l’ST40 tornerà in funzione solo in attesa di ulteriori aggiornamenti e manutenzioni, la società spera di raggiungere la fornitura commerciale di energia da fusione negli anni ’30.

I reattori Tokamak e come influenzano la fusione nucleare

L’energia nucleare tradizionale funziona attraverso il processo di fissione nucleare, che comporta la scissione di un nucleo pesante e instabile in due nuclei più leggeri. L’energia rilasciata attraverso questo processo genera calore per far bollire l’acqua in vapore pressurizzato, che viene poi utilizzato per far girare le turbine che generano elettricità. Sebbene questo processo possa sembrare altamente inefficiente, in realtà è molto più efficiente di altre fonti di energia.

Oltre alla questione delle scorie nucleari, anche l’energia nucleare tradizionale ha ampi margini di miglioramento. Nello specifico, il processo di fissione lascia sul tavolo molta energia atomica. Se invece l’energia nucleare dovesse generare energia attraverso la fusione nucleare, si potrebbe produrre molta più energia.

Mentre la fissione funziona dividendo gli atomi, la fusione nucleare è il processo in cui due nuclei leggeri si combinano insieme. Questo rilascia grandi quantità di energia: questo è il processo che alimenta il sole. La fusione nucleare non solo crea meno materiale radioattivo della fissione, ma richiede molto meno materiale per cominciare e offre una fornitura di carburante quasi illimitata.

Allora perché non usiamo la fusione nucleare per alimentare il nostro mondo oggi? Perché gli scienziati hanno avuto davvero difficoltà a sostenere e controllare le reazioni di fusione nucleare.

Una delle tecnologie più importanti per la fusione nucleare è il reattore Tokamak, un dispositivo di contenimento magnetico a forma di ciambella progettato per sfruttare l’energia di fusione.

Sebbene il design del tokamak sia stato originariamente sviluppato negli anni ’60, ci sono voluti più di 50 anni perché la tecnologia si sviluppasse abbastanza da poter essere considerata per un uso pratico. Il fisico russo Oleg Lavrentiev ideò per primo il progetto, che fu successivamente sviluppato da Igor Tamm e Andrei Sakharov.

Oggi è uno dei diversi tipi di dispositivi di confinamento magnetico in fase di sviluppo per produrre energia da fusione termonucleare controllata e attualmente è il principale candidato per un pratico reattore a fusione.

Il cuore di un tokamak è la sua camera a vuoto a forma di ciambella. All’interno della camera, l’idrogeno gassoso viene posto sotto calore e pressione estremi, trasformandosi in un plasma, un gas caldo e carico elettricamente.

Le particelle cariche del plasma possono essere controllate da enormi bobine magnetiche posizionate attorno alla camera. “Tokamak” è un acronimo russo che sta per “camera toroidale con bobine magnetiche”. Il controllo è necessario per mantenere il plasma lontano dalle pareti della camera: il contatto tra il plasma caricato elettricamente e le pareti del reattore potrebbe provocare un crollo quasi istantaneo.

Una potente corrente elettrica viene fatta circolare attraverso il recipiente e l’idrogeno gassoso viene ionizzato (gli elettroni vengono strappati dai nuclei) e forma un plasma.

Quando le particelle del plasma si energizzano e si scontrano, iniziano anche a riscaldarsi. Ulteriori metodi di riscaldamento aiutano a portare il plasma alla temperatura di fusione (tra 150 e 300 milioni di °C). Le particelle si “energizzano” abbastanza da superare la loro naturale repulsione elettromagnetica in caso di collisione per fondersi, rilasciando enormi quantità di energia a fusione nucleare.

Al momento, il più grande reattore tokamak del mondo è l’ITER, o reattore sperimentale termonucleare internazionale. La macchina dovrebbe essere accesa nel 2025 ed è un programma congiunto tra UE, India, Cina, Russia, Giappone, Stati Uniti e Corea del Sud.