Energia e materia secondo Einstein

La teoria della relatività generale è espressa nelle equazioni di campo di Einstein che possono essere condensate in un’unica formula dove uno dei due membri rappresenta lo spaziotempo. L’altro membro dell’equazione descrive lo spaziotempo in funzione della materia e dell’energia.

L’energia

Si tratta di un concetto che apparentemente comprendiamo perfettamente anche nell’uso quotidiano che facciamo di questo termine (quando vado in palestra mi sento pieno di energia). In fisica, il concetto di energia indica la capacità di compiere lavoro; quindi, più energia ha una cosa, più lavoro riesce a fare.

Sempre rimanendo nell’ambito di questa disciplina, il lavoro è l’energia scambiata tra due sistemi quando avviene uno spostamento attraverso l’azione di una forza, o una risultante di forze, che ha una componente non nulla nella direzione dello spostamento.

Da due secoli il concetto di energia viene preferito a quello di forza, che è certamente più intuitivo ma non riesce a descrivere l’energia in tutti i suoi aspetti. La definizione di energia come capacità di compiere lavoro, però, si ricollega all’idea di forza, perché quando usiamo il termine «lavoro» in fisica, generalmente vogliamo indicare la capacità di spostare qualcosa contrastando una qualche forza.

L’energia è proteiforme: c’è quella cinetica di un corpo in movimento, quella potenziale di un corpo immerso in un campo gravitazionale, c’è quella termica di un corpo scaldato dalle vibrazioni delle proprie molecole.

Il principio di conservazione dell’energia, stabilisce che la quantità totale di energia nell’universo è costante.

Il grande fisico Richard Feynman in un suo saggio scriveva a tal proposito: «C’è un fatto, o se volete, una legge, che governa i fenomeni naturali sinora noti. Non ci sono eccezioni a questa legge, per quanto ne sappiamo è esatta. La legge si chiama “conservazione dell’energia” ed è veramente una idea molto astratta, perché è un principio matematico: dice che c’è una grandezza numerica, che non cambia qualsiasi cosa accada. Non descrive un meccanismo, o qualcosa di concreto: è solo un fatto un po’ strano: possiamo calcolare un certo numero, e quando finiamo di osservare la natura che esegue i suoi giochi, e ricalcoliamo il numero, troviamo che non è cambiato…”.

Secondo il teorema di Noether tutte le leggi della fisica sono invarianti per traslazione temporale. Questo significa che l’energia totale di un processo si conserva nel tempo.

Detta così la quantità totale di energia in un sistema (compreso il sistema più grande di tutto, l’intero universo) si conserva, anche se l’energia di per sé si modifica passando da una forma all’altra.

In realtà, schematicamente, l’energia si può dividere in due tipi diversi: utile e dissipata. Questa distinzione ha un’influenza enorme sul concetto di scorrere del tempo. Il nostro mondo vive su un enorme consumo di energia, la nostra stessa vita biologica ha bisogno di energia per sopravvivere.

Se l’energia si conserva, pur riciclandosi in altre forme, non dovremmo temere neppure in un lontanissimo futuro che essa finisca?

In realtà la dissipazione dell’energia è, in genere, la trasformazione di una forma di energia in un’altra che va perduta o, comunque, non è direttamente utilizzabile ai fini ai quali essa era primitivamente destinata. Tutti i fenomeni naturali irreversibili rappresentano una vera e propria degradazione. Secondo la meccanica statistica è il cosiddetto “secondo principio della termodinamica” l’energia non può circolare per sempre, magari trasformandosi da una forma all’altra.

Materia (e massa)

Nella nostra vita quotidiana tendiamo ad identificare la massa con il peso. E sul nostro pianeta questa “imprecisione” funziona perché le due quantità sono proporzionali. Nello spazio, però, un corpo non ha peso pur conservando la massa che rimane sempre la stessa.

La massa, tuttavia, non rimane sempre costante se un corpo si muove a velocità relativistiche ovvero prossime a quella della luce, in quel caso la sua massa aumenta. Un corpo che viaggia al 99,5 per cento della velocità della luce avrà massa dieci volte più grande che a riposo.

L’aumento di massa di un corpo non significa né che il corpo sia diventato più grande né che abbia un accresciuto numero di atomi, ma che la sua quantità di moto diventa più grande.

Secondo Newton la quantità di moto di un corpo è il prodotto della massa per la velocità; la relatività ristretta di Einstein va oltre e afferma che la quantità di moto non risulta più essere proporzionale alla velocità del corpo. Al contrario, la quantità di moto diventa infinita quando un corpo si muove alla velocità della luce.

Questo è il motivo perché non è possibile viaggiare alla velocità della luce.

Più un corpo si avvicina alla velocità della luce, più diventa difficile farlo andare ancora più veloce, e l’energia in eccesso invece di far aumentare la velocità fa aumentare la massa. Questo concetto spiega come la più celebre equazione della storia della scienza, E=mc2, affermi che la massa può trasformarsi in energia e viceversa.

Inoltre, siccome il quadrato della velocità della luce è un numero enorme, una piccola quantità di massa si può convertire in un’energia enorme oppure il contrario. In quest’ottica il principio di conservazione dell’energia, dovrebbe, più correttamente, essere denominato come principio di conservazione dell’energia e della massa.

Fonti:
alcune voci di Wikipedia
treccani.it
Il mondo secondo la fisica, di J. Al Khalili

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