::effetto::Tesla::

Teoria atomica

2008-09-30T17:47:00.002+02:00

Vi propongo una sintesi della teoria atomica usando il materiale del Prof. Arrigo Amadori

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01 - L'atomo.

La materia è costituita da atomi. Un atomo è composto da un nucleo elettricamente carico positivamente e da un certo numero di elettroni, carichi negativamente, che gli ruotano attorno.

Il nucleo è composto da protoni, che sono particelle cariche positivamente e da neutroni che sono particelle prive di carica.

La massa di un protone è circa uguale alla massa di un neutrone ed entrambi sono circa 2000 volte più pesanti di un elettrone. E' per questo che sono gli elettroni che ruotano attorno al nucleo (molto più pesante) e non viceversa. Il nucleo è molto pesante e "concentrato" mentre gli elettroni sono molto leggeri e mobili.

Normalmente, il numero degli elettroni che ruotano attorno al nucleo eguaglia il numero dei protoni che costituiscono il nucleo. Essendo dette cariche di valore uguale (a parte il segno), un atomo è normalmente elettricamente neutro. Per questo motivo (e per fortuna, altrimenti i corpi sarebbero sbalzati in tutte le direzioni, essendo la forza elettrica piuttosto forte) la materia è normalmente elettricamente neutra.

La materia, anche se appare densa e "dura", è in effetti praticamente vuota. Se, facendo le proporzioni, consideriamo il nucleo grande come una mela, gli elettroni gli ruotano attorno ad una distanza pari a circa un chilometro. Questo fatto è di estrema importanza e, se in qualche modo, riuscissimo ad eliminare tutto questo spazio, riusciremmo a "compattare" tutta la massa in uno spazio molto piccolo raggiungendodensità enormi. Questo è ciò che succede nei buchi neri e nelle stelle di neutroni in cui, per esempio, tutta la enorme massa di una stella viene compattata in uno spazio di pochi chilometri cubi.

Un atomo è quindi composto da un nucleo formato da nucleoni (protoni e neutroni) e da elettroni (in egualnumero dei protoni, quando l'atomo è elettricamente neutro) che gli ruotano attorno. Ogni atomo è indicato da una sigla e da due numeri : il numero atomico (il numero dei protoni identico al numero degli elettroni) ed il numero di massa (il numero dei nucleoni, ovvero dei protoni e dei neutroni che costituiscono il nucleo).
Il numero dei neutroni è dato, ovviamente, dal numero di massa - il numero atomico.

Esempio (atomo dell'elio) :

Un atomo può esistere in natura con un ugual numero atomico ma diverso numero di massa. Simili atomi sono detti isotopi ed hanno le stesse proprietà chimiche (cioè di creare composti, molecole, dalle stesse proprietà). Un esempio di ciò è l'atomo di idrogeno. In natura esso è presente in grande maggioranza formato da un protone ed un elettrone che gli ruota attorno. Vi è però, in minore quantità, anche il deuterio che è formato da un protone, un neutrone ed un elettrone. Con esso si forma l'acqua pesante. Vi è anche il trizio (più raro) formato da un protone, due neutroni ed un elettrone. Chimicamente, idrogeno, deuterio e trizio hanno le stessa proprietà (in quanto hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni). Riassumendo :

Gli atomi esistenti un natura sono circa 90 e sono elencati in una tavola, detta tavola periodica degli elementi o tavola di Mendeleyev :

http://www.apsidium.com/ext_pt/expertab.htm

02 - Legami chimici

Gli atomi alla sinistra di questa tavola sono detti metalli ed hanno la proprietà di perdere elettroni diventando ioni positivi. Gli atomi posti alla destra, invece, sono detti non metalli ed hanno la proprietà di acquistare elettroni, cioè di diventare ioni negativi. Gli altri atomi hanno proprietà di perdere od acquistare elettroni
in maniera meno netta. Certi atomi si possono addirittura comportare da metalli o da non metalli a seconda dei casi.

L'attitudine che hanno gli atomi di acquistare o perdere elettroni fa si che si formino legami elettrici fra gli stessi ed è così che si formano le molecole, i costituenti fondamentali dei composti chimici di cui è fatta la materia.

Il tipo più semplice di legame che si instaura fra gli atomi è il cosiddetto legame ionico. E' il caso del sale da cucina, il cloruro di sodio NaCl. In esso il sodio diventa uno ione positivo ed il cloro uno ione negativo.

Questi ioni si attraggono elettricamente e si forma un reticolo cristallino regolare :

Altri tipo di legami chimici sono basati sul fatto che gli elettroni vengono condivisi dagli atomi che costituiscono il legame. Si tratta del legame covalente.

E' molto interessante il caso dell'acqua :

Gli elettroni sono condivisi dall'atomo di ossigeno e dai due atomi di idrogeno in modo asimmetrico.
Gli elettroni tendoni a stare più dalla parte dell'ossigeno e per questo motivo la molecola di acqua si comporta come un dipolo elettrico, ovvero un oggetto dotato di polarità elettrica.

Se immergiamo, per esempio, del sale da cucina nell'acqua, i dipoli dell'acqua scompongono il reticolo del sale inserendosi fra gli ioni Na e Cl facendo sì che il sale si sciolga (pur mantenendosi i legami fra sodio e cloro).

Se poi inseriamo due elettrodi nella soluzione collegati ad una batteria, si ha il fenomeno dell'elettrolisi : gli ioni sciolti in acqua tenderanno ad andare, rompendo i legami, verso gli elettrodi dotati di segno contrario.

Gli ioni di sodio, positivi, tenderanno ad andare verso l'elettrodo negativo, il catodo, e gli ioni di cloro, negativi, renderanno ad andare verso l'elettrodo positivo, l'anodo. In questo modo si rompono i legami chimici fra sodio e cloro ed agli elettrodi si vanno a depositare i suddetti atomi (almeno teoricamente, perché nella realtà le cose sono sempre più complicate, per cui, in effetti, al catodo si sviluppa idrogeno !).

03 - Gli stati della materia.

La materia si presenta in vari stati..

Se i legami elettrici fra le molecole sono forti, la materia si presenta allo stato solido e le molecole sono disposte in modo da formare un reticolo (che può essere regolare od irregolare (amorfo)). Le molecole oscilleranno così attorno a punti geometrici fissi senza allontanarsi significativamente da essi.

Se i legami elettrici fra le molecole sono meno forti, si ha lo stato liquido. In questo stato, i legami sono meno forti rispetto allo stato solido ma sufficientemente forti da costringere il liquido (a causa della gravità) in un recipiente. In questo caso non si ha un reticolo e le molecole hanno la possibilità di traslare disordinatamente senza però abbandonare il liquido (se non in maniera sporadica (evaporazione)).

Se i legami elettrici fra le molecole sono deboli o quasi assenti, si ha lo stato gassoso. Le molecole sono libere di muoversi ed andare in qualunque punto disponibile dello spazio.

04 - Modelli atomici.

In questo paragrafo descriviamo brevemente i modelli atomici più importanti che storicamente sono stati proposti.

L'ipotesi che la materia sia formata da atomi risale a Democrito (400 a.c.). Atomo, in greco,
significa "non divisibile". L'idea atomistica fu però avversata da Aristotele che, successivamente, divenne il filosofo "ufficiale" della chiesa. Per questo motivo dobbiamo aspettare addirittura fino al 1800 perché gli scienziati riprendessero in considerazione l'ipotesi atomica.

Nel 1803 Dalton spiegò i ben noti fenomeni chimici secondo i quali le sostanze sono formate dai loro componenti secondo rapporti ben precisi fra numeri interi, ipotizzando che la materia fosse
costituita da atomi.

Con la scoperta della radioattività naturale, si capì successivamente che gli atomi non erano particelle indivisibili, essi erano composti da parti più piccole.

Nel 1898 Thomson propose il primo modello fisico dell'atomo. Egli immaginò che un atomo
fosse costituito da una sferetta di materia caricata positivamente (protoni e neutroni non erano
stati ancora scoperti) in cui gli elettroni negativi (da poco scoperti) erano immersi.

Nel 1911 Rutherford fece un esperimento cruciale per mettere alla prova il modello di Thomson.
Bombardò un sottilissimo foglio di oro con raggi alfa (atomi di elio completamente ionizzati, ciò
privati degli elettroni). L'esperimento portò alla constatazione che i raggi alfa non erano quasi mai deviati. Essi attraversavano il foglio di oro senza quasi mai esserne disturbati. Solo alcuni raggi alfa (1 %) erano deviati dal foglio di oro e lo erano in modo notevole (alcuni, addirittura, venivano completamente respinti).

Sulla base di questo fondamentale esperimento, Rutherford propose un modello di atomo in
cui quasi tutta la massa dell'atomo è concentrata in una porzione molto piccola, il cosiddetto
nucleo (caricato positivamente) e gli elettroni gli ruotano attorno così come i pianeti ruotano
attorno al sole.

Il nucleo è così concentrato che gli elettroni gli ruotano attorno a distanze relative enormi.

Il modello di Rutherford ha però un grande "difetto" che lo mette in crisi. Secondo la teoria elettromagnetica una carica in movimento accelerato (non in moto rettilineo uniforme)
emette onde elettromagnetiche e quindi perde energia. Per questo motivo, gli elettroni
dell'atomo di Rutherford, perché ruotano su orbite circolari, dovrebbero emettere onde
elettromagnetiche e quindi, perdendo energia, cadere nel nucleo cosa che invece non
accade, perché gli atomi sono oggetti molto stabili (la materia appare normalmente stabile).

Nel 1913 Bohr propose una modifica concettuale al modello di Rutherford. Pur accettandone
l'idea di "modello planetario", postulò che gli elettroni avessero a disposizione orbite di "parcheggio"fisse nelle quali non emettono né assorbono energia. Un elettrone emette od assorbe energia elettromagnetica sotto forma di onde elettromagnetiche solo se "salta" da un'orbita all'altra.

Questa idea, non compatibile con le leggi della fisica classica (di Newton), si basa sulle idee della nascente meccanica quantistica.

Il modello di Bohr spiegava molto bene l'atomo di idrogeno ma non quelli più complessi. Sommerfeld propose allora una correzione al modello di Bohr secondo la quale si aveva una buona corrispondenza fra la teoria e le osservazioni degli spettri degli atomi (uno spettro è l'insieme delle frequenze delle radiazioni elettromagnetiche emesse o assorbite dagli elettroni di un atomo).

Successivamente, si pervenne ad un modello atomico più coerente ai grandi progressi che la
meccanica quantistica nel frattempo aveva fatto.

Nel 1930 fu scoperto il neutrone per cui si pervenne presto ad un modello dell'atomo pressoché
completo in cui al centro vi è il nucleo composto di protoni (positivi) e neutroni (protoni e neutroni si chiamano collettivamente nucleoni) ed attorno vi ruotano gli elettroni.

Anche l'idea di come gli elettroni ruotano attorno al nucleo venne profondamente modificata alla luce delle scoperte della meccanica quantistica.

Fu abbandonato il concetto di orbita e fu introdotto il concetto di orbitale.

Secondo la meccanica quantistica un elettrone non è descrivibile in termini di traiettoria.
Non si può quindi affermare con certezza dove un elettrone si trova in un certo istante né dove si
troverà in un istante successivo. Si può solo conoscere la probabilità di trovare l'elettrone in
un certo punto dello spazio.

Un orbitale non è una traiettoria in cui un elettrone (secondo le idee della fisica classica) può
stare, è invece una "nuvoletta" di probabilità in cui si può trovare l'elettrone.

Esempi di orbitali per l'atomo di idrogeno dove maggiore luminosità significa maggiore probabilità di trovare l'elettrone (in sezione) :

ENRICO FERMI

2008-06-03T10:56:00.001+02:00

Daviddi Arianna & Veronica Cappello 4abio1 29/05/2008

ENRICO FERMI
La vita
Enrico Fermi naque a Roma il 29 Settembre 1901. Sin da bambino mostrò grande interesse e propensione per la matematica e la fisica, cui si avvicinò gazie al contributo dell'insegnante Amidei. Quest'ultimo lo aiutò seguendo sistematicamente i suoi studi e proponendogli dei test specifici. La sua preparazione proseguì al liceo, ove si diplomò nel 1918, e successivamente presso la scuola normale di Pisa.
Durante gli studi universitari Enrico Fermi si dedicò ad una intensa attività di ricerca sui caratteri distintivi del suono e della diffrazione dei raggi X da parte dei cristalli, conclusosi nello stesso periodol'assegnazione del premio Nobel per la fisica ad Einsteinmise lo studio della struttura atomica al centro dei suoi interessi e lo portò all'elaborazione della statistica antisimmetrica (statistica Fermi-Dirac) basata sul principio di esclusione di Pauli.
La brillante elaborazione lo mise ai vertici degi interessi di Corbino, uomo politico di fama, il quale gli diede l'opportunità di creare un gruppo di ricerca presso lo studio di via Panisperna a Roma e di porttare la fisica italiana ai più alti livelli.
Insieme ad un gruppo di giovani laureati Fermi potè compiere gli studi che lo portarono alla formulazione della teoria matematica del decadimento di Beta e alla scoperta dei neutroni lenti. Un bombardamento di neutroni di questo tipo permetteva di ottenere attività indotte molto piu' intense. Ulteriori informazioni sull'argomento sono riassunte in un lavoro compiuto con il collaborazione Amaldi: "Sopra l'assorbimento e la diffusione dei neutroni lenti", e in un lavoro teorico dell stesso Fermi: "Sul moto dei neutroni nelle sostanze idrogenate". L'enorme valore della scoperta fruttò a Fermi l'assegnazione del Nobel per la fisica nel 1938.
Da allora fino al 1942 la precaria condizione mondiale constrinse Fermi alla permanenza negli Stati Uniti, ove non erano in vigore le leggi razziali adottate invece in Germania e in Italia. Qui lavorò all'attivazione del primo reattore nucleare, che permetteva di produrre uno sviluppo controllatodi energia a partire da un processo di fissione, e alla costruzione della bomba atomica.
Abbandonati gli studi in tal campo si dedicò, fino al momento della sua morte sopraggiunta nel 1954, allo studio della struttura subatomica e all'analisi delle reazioni fra Pioni e Nucleoni.
Per omaggiare ilo suo enorme contributo alla fisica mondiale, quando si scoprirono particelle subatomiche ancora ignote, venne dato loro in nome di Fermioni.

Il decadimento beta e l’ipotesi del neutrino
Le sostanze con radioattività alfa emettono nuclei di elio, ad esempio, il radio (Ra)- elemento scoperto da Marie Curie- decade in radon (Rd), un gas nobile secondo lo schema:

Con la radioattività alfa dall'atomo originario vengono espulsi due protoni e due neutroni; il numero di massa si riduce quindi di quattro unità. Questo fenomeno riflette una instabilità strutturale del nucleo "padre", un fenomeno spiegato all'inizio degli anni '30 nel quadro della meccanica quantistica. L'origine della radioattività beta invece rimase problematica sino al lavoro di Fermi. I raggi beta sono elettroni, ma da dove vengono? Prima della scoperta del neutrone si credeva che il nucleo fosse composto da protoni ed elettroni. In questo quadro il decadimento beta risulterebbe quindi simile al decadimento alfa, cioè un riarrangiamento dei componenti già presenti nel nucleo iniziale, una vera e propria disintegrazione. La scoperta dei neutroni portò rapidamente ad abbandonare questa tesi. La radioattività beta poneva un problema ancora più grave: gli elettroni non vengono emessi con una singola energia ma con uno spettro di energie che varia con continuità. La situazione è ben diversa da quella che si riscontra nei decadimenti radioattivi di tipo alfa o gamma, in cui l'energia della particella emessa è determinata dalla differenza di energia tra il nucleo iniziale e quello finale, ed è quindi sempre la stessa per un dato tipo di decadimento. Nella disintegrazione del radio ad esempio, vengono emesse particelle alfa con un'energia di 4.88 MeV. Questo semplice argomento non funziona nel caso del decadimento beta; Bohr era giunto a proporre che in questo caso l'energia non fosse esattamente conservata. La soluzione di questo problema fu trovata da Pauli: nel decadimento beta non viene solamente emesso un elettrone, ma anche una seconda particella che sfuggì ai loro strumenti. Le due particelle emesse si suddividono l'energia a disposizione, questo può venire in proporzione differente, di modo che l'energia conferita all'elettrone non sia univocamente determinata. La seconda particella doveva essere neutra, altrimenti sarebbe facilmente rilevata tramite il suo potere ionizzante, e non poteva essere un fotone, poiché i dati sperimentali sembravano escluderlo. Si doveva trattare di una particella interamente nuova. L'ipotesi di questa seconda particella sembrava fantasiosa a Pauli stesso. Ne scrisse infatti solamente ai colleghi più stretti dove chiamava questa particella neutrone. Nel congresso sulla fisica nucleare tenutosi a Roma nel1931 ne parlò con Fermi che scherzosamente gli propose il nome appropriato "neutrino" poiché la sua massa doveva essere inferiore a quella del neutrone. Nel 1932 tuttavia Fermi discuteva ancora della radioattività beta in termini delle emissioni di particelle già presenti nel nucleo; la soluzione avvenuta nel 1933 sarebbe stata radicalmente differente. Nell'ottobre del 1933 il punto di vista moderno sulla struttura del nucleo, composto da protoni e neutroni, ebbe la sua sanzione ufficiale a Bruxelles nel corso della conferenza Solvay. Nella discussione che seguì la relazione di Heisenberg sulle forze nucleari, Pauli uscì finalmente allo scoperto con alcuni commenti sulle ipotesi del neutrino.
La teoria di Fermi
L'ingresso del neutrone di Chadwick nella struttura del nucleo ne scacciava l'elettrone e lasciava ben poco posto della presenza di un neutrino di Pauli. Se elettrone e neutrino non sono presenti in A, essi devono essere creati nella transizione. Questa era una considerazione dura da accettare poiché si era abituati a pensare l'elettrone come una particella materiale, dotata di una sua solidità. La possibilità di creare e distruggere particelle aveva un precedente nel caso dei fotoni. La luce è composta appunto da fotoni che vengono creati quando la luce viene emessa e distrutti quando viene assorbita. Un atomo può emettere un fotone passando da un livello di energia superiore a uno di livello inferiore. Nel processo inverso un atomo può assorbire un fotone portandosi da un livello di energia inferiore a uno di livello superiore. Questi processi riguardanti i fotoni vengono descritti dalla teoria quantistica del campo elettromagnetico sviluppato da Dirac. Nel 1927 Jordan e Klein mostrarono che questa teoria dei campi quantistici poteva essere applicata a qualsiasi particella. Gli elettroni potevano cioè essere visti come particelle ma anche come fenomeno ondulatorio. Nella fisica quantica il concetto di particella e quello di campo sono totalmente intercambiabili. Ad ogni campo corrisponde un tipo di particelle tra loro identiche, ma vale anche il contrario. Il linguaggio dei campi permetteva di descrivere fenomeni in cui delle particelle sono create o distrutte ma il lavoro di Fermi sulla radioattività beta è il primo in cui questa possibilità sia stata usata al di fuori della teoria dei fotoni.
Alla base della teoria di Fermi è l'ipotesi che il decadimento beta di un nucleo sia dovuto ad un nuovo tipo di interazione tra particelle che causa la trasmutazione di un neutrone in un protone con la simultanea creazione di un elettrone ed un neutrino,
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Dato che protone ed elettrone hanno carica elettrica opposta mentre neutrone e neutrino sono elettricamente neutri, in questo processo è conservato il valore della carica elettrica totale. Secondo Fermi esisteva un'analogia tra questo processo e quello alla base dell'emissione dei raggi gamma,

nel quale uno dei protoni nel nucleo passa da uno stato energetico superiore ad uno inferiore, emettendo un fotone.
Fermi propose l'esistenza di un nuovo tipo di corrente, oggi detta corrente debole, che si manifesta all'atto della trasformazione di un neutrone in protone provocando la creazione della coppia e - v.
Nel suo lavoro del 1933 presentò la struttura matematica della sua nuova teoria e la sua applicazione nello studio dei decadimenti radioattivi beta. Questi si possono dividere in due classi:
Permessi - potrebbero avvenire anche se i nucleoni (protoni, neutroni) fossero fermi all'interno del nucleo;
Proibiti - sono solamente resi possibili dal fatto che i nucleoni si muovono; questi procedono più lentamente e la loro vita media risulta circa 100 volte più lunga dei decadimenti permessi.
Fu solamente con Fermi che questo fenomeno trovò una spiegazione quantitativa. Un secondo risultato importante del lavoro di Fermi è nella determinazione della distribuzione energetica degli elettroni emessi. Dimostrò che questa distribuzione permette di determinare la massa del neutrino. La teoria di Fermi contiene un solo parametro incognito, G, oggi detto costante di Fermi che può essere determinato misurando la vita media di un decadimento beta permesso e determina la intensità delle nuove interazioni.
Abbiamo detto che la transizione tra neutrone e protone nel processo sopraddetto genera una corrente debole che conduce alla creazione della coppia elettrone - neutrino. Il meccanismo di questo fenomeno è analogo al fenomeno dell' induzione magnetica in cui la corrente in un circuito elettrico genera in un campo magnetico. Nella teoria di Fermi si ha una specie di corto circuito tra la corrente debole dei nucleoni, attivata dalla transizione da neutrone a protone, ed una corrispondente corrente dei leptoni (elettroni - neutrino) la cui attivazione porta alla creazione della coppia elettrone - neutrino. L'interazione debole è quindi secondo Fermi un'interazione diretta tra correnti deboli, senza l'azione di un campo intermedio, come avviene nel caso della induzione magnetica.
La stabilità del nucleo
Un nucleo risulta stabile quando ha una massa minore della somma delle masse di ogni possibile coppia di nuclei ottenibili dalla sua scissione. Una grandezza che definisce in modo evidente la stabilità di una data specie atomica è l'energia di legame specifica o per nucleone; è definita dalla seguente relazione
L'esperienza mostra che il valore di detta energia varia di poco per tutte le specie nucleari ed è compresa tra i 7.4 MeV e 8.8 MeV. Si tratta di energie enormi se si considera che quelle di legame degli elettroni ai rispettivi nuclei sono soltanto di pochi elettronvolt. L'energia di legame per nucleone è minima per gli elementi leggeri e aumenta rapidamente sino a raggiungere il massimo valore per quelli di numero atomico medio (A compreso tra 40 e 60); essa tende poi a diminuire gradatamente sino a diventare un'altra volta minima per i nuclei più pesanti. Risulta quindi che sia i nuclidi più leggeri sia quelli più pesanti sono i meno stabili. Per i primi, costituiti da pochi protoni e neutroni, gli effetti della superficie del nucleo sono più notevoli. Infatti i nucleoni situati in vicinanza della superficie esterna del nucleo non sono completamente circondati da altri nucleoni e sono soggetti ad una forza di attrazione più piccola. Ne consegue che negli elementi leggeri i nucleoni superficiali sono in numero relativamente più grande rispetto a quelli pesanti e quindi le forze di legame sono minori. Per i nuclei più pesanti invece l'elevato numero di protoni determina una maggiore repulsione elettrostatica delle loro cariche a svantaggio della stabilità dei nuclei stessi.
Processi di radioattività

I nuclei degli atomi possono emettere non solo particelle pesanti ed elettroni ma anche radiazioni gamma: se l'emissione avviene spontaneamente, come si verifica in natura per gli elementi più pesanti (Z>80), il processo prende il nome di radioattività naturale; nel caso contrario si parla di radioattività artificiale. Il decadimento radioattivo è il fenomeno per il quale un nuclide, in seguito all'emissione di particelle pesanti, si trasforma, in un tempo più o meno lungo, in un nuclide diverso. La trasformazione può avvenire attraverso fasi successive e tende sempre, più o meno rapidamente, ad una forma stabile; così, per esempio, la serie radioattiva che fa capo all'uranio 238 passa attraverso una successione di decadimenti che portano alla fine all'ultimo elemento stabile costituito dal piombo .
La fissione nucleare
I fenomeni di radioattività possono essere adeguatamente spiegati dal verificarsi di particolari reazioni nucleari. Una reazione nucleare è detta di fissione quando comporta la scissione di un nuclide instabile in due o più nuclidi aventi masse tra loro comparabili.
Lo studio delle reazioni di fissione ha origine dalle ricerche condotte da Fermi e dai ragazzi di via Panisperna sul bombardamento con fasci di neutroni; realizzato con l'ausilio della pistola a neutroni. I neutroni, essendo privi di carica elettrica, riescono a penetrare nell'interno del nucleo anche se sono dotati di piccola energia cinetica. Le probabilità, quindi, di realizzare delle reazioni nucleari con queste particelle sono maggiori, in particolare per i nuclei più pesanti che hanno una minore energia di legame. Occorrono però sorgenti di neutroni abbastanza ricche e queste, già negli anni trenta, erano a disposizione dei fisici che operavano in questo settore della ricerca scientifica.
Durante gli esperimenti eseguiti da Fermi e dai suoi collaboratori era stato notato che, bombardando l'uranio con neutroni lenti, si otteneva la formazione di diversi nuclidi radioattivi. Si pensava però che tali elementi avessero un numero atomico prossimo a quello dell'uranio e, siccome non vennero riconosciuti come tra le specie nucleari note, si avanzò l'ipotesi che si trattasse di elementi transuranici.
Ma nel 1939 i fisici tedeschi O.Hann e F.Strassmann provarono che quando l'uranio veniva bombardato con neutroni si otteneva la formazione di due grossi frammenti nucleari che subivano successivamente una serie di trasformazioni radioattive; tra i prodotti della reazione essi identificarono i nuclei di bario e di cripto .A questo tipo di reazione nucleare , che consiste nella scissione del nucleo atomico degli elementi più pesanti in due parti (raramente più di due) aventi masse che stanno in un rapporto dell'ordine di 3/2, fu dato il nome di fissione nucleare. Secondo il modello nucleare a goccia, ideato da N. Bohr, la reazione di fissione si può interpretare nel modo seguente. Quando un nucleo pesante, per esempio cattura un neutrone , entra in uno stato di instabilità e si pone a vibrare. Successivamente, tende ad allungarsi in una data direzione e a restringersi sempre più nella parte mediana sino a spezzarsi in due.
In seguito ai primi esperimenti si poté provare che la fissione mediante neutroni avveniva anche nel torio e nel protoattinio. Mentre però per questi ultimi elementi era necessario impiegare neutroni di elevata energia cinetica , per l'uranio, invece, la reazione avveniva sia con neutroni veloci, sia con neutroni lenti. Anzi, si riuscì a provare che , mentre per l'isotopo più abbondante dell'uranio (99.274%), cioè occorrevano neutroni veloci, per quello meno abbondante (0.71%), cioè l' erano sufficienti neutroni lenti o termici; quest'ultima denominazione sta a significare che detti neutroni sono dotati di energia cinetica dell'ordine di grandezza di quella dovuta all'agitazione termica della molecole. Un altro fatto notevole, che si doveva manifestare in seguito all'utilizzazione dell'energia atomica, era che nella fissione dell'uranio 235 venivano emessi almeno due o tre neutroni per ogni nucleo che subiva la disintegrazione.
Nel processo di fissione una volta scoperta la convenienza di rallentare i neutroni facendoli passare o attraverso un blocco di paraffina o entro una vasca d'acqua (la famosa vasca dei pesciolini di via Panisperna), il bombardamento più interessante, e inizialmente molto misterioso, si rilevò essere quello dell'uranio.L'isotopo di uranio capace di scindersi era l'uranio 235 e la reazione a suo carico si può schematizzare così: X e Y sono nuclidi con numero di massa intorno a 127; il numero di neutroni (n) varia a seconda dei nuclidi effettivamente prodotti; l'energia che si libera corrisponde a circa 200 MeV per nucleo di nucleo di uranio che viene scisso. La quantità di energia prodotta è enorme, basti pensare che la combustione di un atomo di carbonio libera circa 4 eV, mentre la scissione di un nucleo di uranio comporta la liberazione di una quantità di energia 50 milioni di volte superiore. Ciò succede perché nelle reazioni nucleari si hanno variazioni significative di massa che invece non si verificano nelle normali reazioni chimiche di combustione. Ritornando alla reazione descritta, bisogna notare la produzione di neutroni che possono essere assorbiti dai nuclei di uranio vicini originando nuovi processi di fissione e nuova produzione di energia; il primo neutrone che ha prodotto l'iniziale scissione innesca così una reazione a catena che in breve tempo coinvolge tutta la quantità di uranio disponibile. La prima utilizzazione pratica della reazione di fissione fu la terrificante distruzione di Hiroshima e Nagasaki che, segnò la fine della seconda guerra mondiale. Nella bomba atomica la reazione diventa esplosiva perché vengono messi a contatto rapidamente due masse "subcritiche" sì che il sistema ottenuto risulti, nel complesso, superiore alla massa "critica". La massa critica rappresenta la più piccola quantità di materiale fissibile necessaria per autosostenere la reazione a catena. Nelle centrali nucleari la reazione a catena viene controllata e regolata usando barre di cadmio o grafite o acciaio al boro che hanno la capacità di catturare facilmente i neutroni. Nel reattore si occupano di queste funzioni le barre di regolazione. Una regolazione del reattore è assicurata anche dall'acqua che, raffreddando il nocciolo, si trasforma di conseguenza in vapore: essa assorbe, rallentandoli, una certa quantità di neutroni. Il vapore acqueo ottenuto viene inviato alla turbina che, associata all'alternatore, è in grado di generare energia elettrica.

I fermioni

Considerando la struttura degli atomi è possibile porsi una domanda: noi sappiamo che le particelle che compongono il nucleo risentono dell'interazione forte; sappiamo inoltre che gli elettroni girano intorno al nucleo come la luna intorno alla terra, ma perchè l'elettrone non risente della forza nucleare forte molto più intensa di quella elettronica quando nel suo moto si trova molto vicino al nucleo? A questa domanda Fermi, in collaborazione con il fisico Dirac, tentò di dare risposta introducendo il concetto di fermione.
La classe dei fermioni comprende i leptoni, che hanno massa inferiore a quella del protone, e i barioni, con massa eguale o superiore al protone.
Le particelle stabili sono il fotone, la particella della luce e "quanto" di energia, e i leptoni, che sono le particelle elementari più leggere, ad eccezione del muone. I leptoni comprendono l'elettrone, il muone (quasi stabile) che ha massa e carica elettrica eguale all'elettrone, positiva o negativa, e il neutrino, la cui massa è praticamente zero e viene emesso nella radioazione beta assieme a un positrone, la particella m, la particella t e le relative antiparticelle.
Seguono i barioni che comprendono il protone (stabile), il neutrone (semistabile), che ha una vita media di 1,01•10³s., i peroni, più risonanze a rapido decadimento.
I peroni sono particelle con massa da 2100 a 2600 volte superiore a quella degli elettroni, e quando decadono danno luogo a protoni, neutroni e mesoni. Fermi affermava, e le sue dichiarazioni sono ritenute valide tutt'oggi, che in realtà solo alcune particelle risentono della forza nucleare forte, così come solo le particelle elettricamente cariche risentono dell'interazione elettromagnetica.
Possiamo dunque fare una distinzione tra particelle che risentono delle interazioni forti e quelle che non ne risentono: i primi vengono chiamati adroni i secondi sono i leptoni.

FERMIONI:
Un fermione è qualunque particella il cui momento angolare intrinseco (spin) ha un valore multiplo dispari di 1/2 (1/2, 3/2,...), misurato in unità h (h-tagliato). Come conseguenza del loro momento angolare, tutti i fermioni obbediscono al principio di esclusione di Pauli.
Le particelle materiali fondamentali (quark e leptoni), come anche la maggior parte delle particelle composte (come protoni e neutroni) sono fermioni. Perciò, secondo il principio di esclusione di Pauli, queste particelle non possono coesistere nello stesso luogo. E questa, per la materia in condizioni ordinarie, è una proprietà importantissima.

il caso nikola tesla

2008-06-03T10:54:00.000+02:00

Nella storia scientifica dell’evento della Tunguska è stato fatto entrare pure un grande personaggio, l’uomo che inventò la luce elettrica, che costruì la prima stazione al mondo di energia idroelettrica, che inventò la radio e tante altre interessantissime cose.
È stato pure lo scopritore dell’illuminazione a fluorescenza, della sismologia e di una rete di comunicazione di dati su scala mondiale. Nikola Tesla, uno scienziato che è senza dubbio lo sconosciuto eroe della scienza del XX° secolo. La sua vita è stata una serie incredibile di trionfi scientifici, seguiti da un’altrettanta inconcepibile serie di personali disastri commerciali.
Era nato a Smiljan Lika, nell’attuale Croazia, nel 1856. Dopo i primi studi condotti a Lika e a Carlstadt sotto l’influenza della madre Georgina Mandic, anch’essa inventrice, come d’altra parte il padre, Tesla si trasferì all’Università di Graz dove studiò matematica e fisica, laureandosi nel 1877. Ebbe poi la volontà di studiare filosofia a Praga. Nel 1881 propose a Budapest la sua prima invenzione: il telefono ripetitore. Nel 1884 emigrò negli Stati Uniti. Dopo un periodo in cui collaborò con T.A. Edison nel suo laboratorio di Menlo Park, lo lasciò in seguito ad un litigio. Lavorò poi per G. Westinghouse che aveva fondato da poco la Westinghouse Electrical Company. Preferì però, dopo poco tempo, lavorare per conto proprio sviluppando tutta una serie d’importanti invenzioni. Una caratteristica generale di molte di queste era la fiducia che Tesla aveva per le correnti alternate, a differenza di quanto inizialmente pensava Edison. La dimostrazione della superiorità di tali correnti la pose in atto nel 1893 illuminando l’intera esposizione universale di Chicago. Anticipò di almeno due anni la telegrafia senza fili, senza però svilupparla. Il sistema delle correnti alternate fu prescelto da Tesla anche per il progetto dello sfruttamento energetico, ceduto alla Westinghouse, della Cascata del Niagara.
Le moltissime invenzioni hanno fatto di lui uno dei più prolifici e geniali inventori dell’ottocento e novecento. Le sue capacità creative erano straordinarie come pure la competenza tecnica era notevolissima. Aveva il solo difetto di non essere stato letteralmente in grado di realizzare e approfondire le sue innumerevoli idee. Quelle che seppe portare a termine ancora oggi lasciano sbalorditi. Ogni possibilità però di celebrare i risultati conseguiti in vita si perse nella confusione creata dalla sua morte, avvenuta a New York il 7 Gennaio 1943, in epoca di guerra. Tutto il suo lavoro fu dichiarato "top secret" dalla FBI, dalla Marina Militare americana e dal Vicepresidente Wallace. Egli lasciò scritto: "Provo continuamente un senso di profonda e inesplicabile soddisfazione nell’apprendere che il mio sistema polifase viene usato in tutto il mondo per illuminare i momenti oscuri dell’esistenza, per migliorare la qualità della vita; e che il mio sistema senza fili, in tutte le sue essenziali caratteristiche, viene utilizzato per rendere un servizio e per dare felicità alla gente in ogni angolo del mondo".
È stato uno scienziato brillante, un profeta che leggeva realmente nel futuro, ma che il suo tempo non fu in grado di comprendere. Il risultato finale è stato che uno dei maggiori benefattori dell’umanità è stato dimenticato. Tesla morì come aveva vissuto: solo e nell’anonimato, destinato all’oblio per l’ordine top secret che proibiva di parlare dei suoi lavori.
Che cosa aveva potuto causare tutto questo? La rottura con Edison indusse Tesla ad abbandonare la concezione tradizionale dell’elettricità. Si trasferì a Colorado Springs, vicino a Denver, cercando di realizzare una concezione nuova sull’elettricità: comunicare in ogni parte del mondo non usando i fili. Secondo la sua teoria, la terra stessa costituiva un conduttore naturale e poteva essere sfruttata per far viaggiare le onde elettriche inviate da un trasmettitore centrale. Tali onde sarebbero state raccolte da ricevitori posti ovunque nel pianeta.
Dato che nessuno gli volle credere, nel 1899 Tesla costruì un trasmettitore che poteva anche fungere da ricevitore. Con questa struttura, piazzata sopra il suo laboratorio, sperava di inviare un’onda elettrica vagante per poi riprenderla. Intuendo che una singola onda avrebbe perso potenza nel trasferimento, pensò di fornire impulsi elettrici successivi, creando così un pacchetto energetico continuo di potenza crescente. A Colorado Springs tutti gli abitanti potevano osservare l’enorme e strana antenna, alta 60 metri che terminava con un globo di ferro. Molti sono stati i testimoni che videro accendersi 200 lampadine senza collegamento di fili elettrici a 40 Km di distanza. Un esperimento particolare con quell’antenna resterà nella storia di questa civiltà: un fulmine uscì dal globo di ferro in cima all’antenna, crebbe di dimensioni fino a diventare un globo elettrico che mandava verso il cielo lampi scoppiettanti di lunghezza almeno di 50 metri. La zona fu pervasa da rombi di tuono e l’erba assunse il colore di un verde brillante come se ci fosse fosforescenza. Il fatto più traumatico sicuramente fu quello sopportato dagli abitanti, i quali, camminando nelle strade, vedevano sprizzare scintille elettriche che dai loro piedi finivano sul selciato. Dopo tanto spettacolo anche il finanziere J.P. Morgan, convinto del genio inventivo di Tesla, investì ben 150.000 dollari nel progetto della trasmissione d’energia. Perciò Nikola Tesla si trasferì a New York e cominciò la costruzione della prima torre per le comunicazioni a Long Island: la Wardenclyffe. Questo avveniva nel 1900.

L’imponente torre Wardenclyffe, costruita da Tesla a Long Island.

Tre anni dopo, quando la Wardenclyffe fu completata, Tesla annunciò un’altra delle sue scoperte: sarebbe bastato dare una potente energia ai suoi trasmettitori per trasformare la litosfera terrestre in un gigantesco portalampade. Bastava in pratica infilare un bastone metallico nel terreno, collegarlo ad un trasformatore, per avere elettricità a volontà. Tesla era dell’opinione che per generare l’energia iniziale fosse sufficiente usare impianti idroelettrici. Il punto debole di tanta invenzione stava nel fatto che se il trasmettitore avesse inviato, anziché su tutto il globo in maniera uniforme, una forte quantità d’energia in un solo punto, allora si sarebbe verificata una distruzione totale. Secondo i calcoli, con questo sistema si poteva inviare tranquillamente un’energia pari ad una bomba nucleare da 10 megatoni. La storia ci ricorda che Tesla non ebbe mai la possibilità di sperimentare la sua rivoluzionaria invenzione. Nel 1903 il sostenitore Morgan ritirò il finanziamento. Sicuramente questo magnate americano avrà pensato che un raggio della morte da 10 megatoni poteva anche andar bene, ma fornire energia elettrica in forma illimitata e gratuita a tutto il mondo era assolutamente impensabile. A quel punto Tesla fu abbandonato da tutti. Sommerso dai debiti, dovette svendere il laboratorio di Colorado Springs per pochi dollari, tanto che nel 1906 non ebbe più soldi per pagare gli stipendi dei dipendenti della Wardenclyffe, che rimase vuota. Fu proprio in quel periodo che la vita di Tesla iniziò a rivestirsi di mistero.
Quando il mondo cominciò la corsa agli armamenti, che poi sfocerà nella prima guerra mondiale, Tesla cercò di portare acqua al suo "mulino" proponendo un sistema di distruzione più potente. Si crede però che siano state solo dicerie, appoggiate da un fatto insolito come la sparizione della nave francese Jena che saltò in aria in circostanze misteriose. È noto che Tesla rimase neutrale dinanzi a quest’esecrabile gesto. Egli aveva dichiarato, in precedenza, che il suo trasmettitore avrebbe potuto mandare "onde d’urto" d’intensità tale da causare un’esplosione nella santabarbara di una nave da guerra e farla saltare in aria. Il fatto poi che la Wardenclyffe, anche senza operatori, potesse funzionare senza problemi ha fatto sì che ci fossero state, in seguito, delle supposizioni su un suo impiego nel caso della Tunguska.
In pratica nel 1908 Tesla sembra che abbia detto: " Il mio non è un sogno. Si possono realizzare impianti senza fili in grado di rendere inabitabile qualsiasi zona della Terra, senza esporre la popolazione d’altre parti a seri danni o avere inconvenienti collaterali."
Non ci sono certezze in merito, considerando poi che Tesla, nel disperato tentativo di ottenere aiuti finanziari per la sua ricerca, si sia lasciato andare a dichiarazioni del tutto particolari.
È risaputo però che fino al 1915 Tesla non ebbe nessun finanziatore che lo potesse aiutare, tanto che la Wardenclyffe fu rasa al suolo nel 1917. Un fatto singolare è che egli avesse l’abitudine il 10 Luglio d’ogni anno, giorno del suo compleanno, di fare rivelazioni clamorose sul futuro dell’elettricità. Erano dichiarazioni così sensazionali che il rito finì col diventare una cosa ridicola.
Nel 1935 cercò di coinvolgere di nuovo il magnate Morgan in un progetto di difesa che impiegava raggi di particelle del tutto simili a quelle che conosciamo oggi tramite i film di "Star Trek".
Quando Tesla morì, le sue invenzioni vennero requisite dal governo americano e, molto tempo dopo, restituite al nipote, tranne quelle sul raggio della morte.
Il fatto che Tesla potesse aver effettivamente attivato la Wardenclyffe Tower per determinare la devastazione della Tunguska, resta una congettura di qualche autore che non tiene conto d’alcuni fatti assai importanti. Ciò non toglie, ripeto, che Tesla non fosse potenzialmente in condizione per effettuare una simile esperienza. Uno dei fatti tecnici che egli doveva superare era la disponibilità di una potenza energetica primaria per raggiungere i 30 megatoni finali. Non era possibile poi eseguire un simile esperimento di nascosto e soprattutto la centrale idroelettrica interessata non poteva essere assolutamente una sola. Un esperimento di questo tipo a chi poteva servire? Forse al Governo degli Stati Uniti? Un’altra incongruenza la ritroviamo nella probabile traiettoria che l’ipotizzato bolide energetico avrebbe dovuto compiere.

Presunta traiettoria del bolide che avrebbe colpito la Tunguska con l’energia generata dalla Wardenclyffe Tower ed ideata dalla geniale intuizione di Nikola Tesla.

Analizzando l’aspetto geometrico, essa doveva avere caratteristiche curvilinee e giungere da nord per colpire la zona disabitata della Tunguska: il contrario di quanto riferì la maggioranza dei testimoni dell’epoca.
Credo infine che, non avendo ancora oggi prove tangibili di una vera e propria sperimentazione in tal senso, sia abbastanza difficile stabilire se gli effetti possono essere comparati con quelli effettivi riscontrati nella taiga, con tutte le peculiarità dell’evento, esplosione compresa, nei termini già analizzati.
Una cosa è certa però: l’invenzione di Nikola Tesla, conosciuta come la trasmissione d’energia elettrica senza fili, verrà in seguito applicata ma non per scopi benefici. Tesla in proposito lasciò scritto: "Il successo pratico di un’idea, indipendentemente dalle sue qualità inerenti, dipende dalla scelta dei contemporanei. Se è al passo coi tempi, essa viene rapidamente adottata; in caso contrario, è destinata a vivere come un germoglio che sboccia, attirato dalle lusinghe e dal calore del primo sole, per essere poi danneggiato e crescere con difficoltà a causa del gelo che s’impone."
Questo gelo è stato recentemente sciolto, purtroppo. Nell’evoluzione tecnologica militare degli Stati Uniti da qualche anno è comparso il progetto HAARP (High Frequency Active Auroral Research Project). Il Pentagono ci sta facendo credere che si tratti di un innocuo esperimento, mentre ci troviamo di fronte ad un’arma che agisce sulla ionosfera con probabili sviluppi indescrivibili per gli esseri viventi. Nel 1987 il consulente dell’Atlantic Richfield Corporation (ARCO), il fisico Bernard J. Eastlund, applicò tutte le sue risorse intellettive per riprendere il brevetto di Nikola Tesla della Wardenclyffe. Il nuovo sistema è stato denominato: "Metodo ed apparecchiatura per l’alterazione di una regione dell’atmosfera, ionosfera e/o magnetosfera terrestre". In verità il metodo doveva servire ad Eastlund per scoprire vasti giacimenti di gas naturali che la compagnia petrolifera ARCO stava cercando in Alaska.
Quando gli studi avevano raggiunto un certo successo, intervenne il fisico nucleare Edward Teller (uno dei più accaniti scienziati USA, che si è dedicato alla costruzione della bomba atomica e soprattutto di quella all’idrogeno), che fece nascere nuove iniziative segrete, atte a portare avanti il sistema militare di "Guerra Stellare". In breve tempo l’Alaska si è trasformata nell’ultima frontiera di ricerca militare.

Le mastodontiche e numerose antenne dislocate a Gakona (Alaska), facenti parte del Progetto HAARP.

L’installazione principale del Progetto HAARP si trova in Alaska, a Gakona, 150 miglia circa a nord-est di Anchorage. La scelta di questo sito è stata fatta per tre motivi fondamentali:
• La sua vicinanza al Polo e quindi alla zona di concentrazione delle linee magnetiche del nostro pianeta.
• La presenza di notevolissime fonti energetiche naturali nel sottosuolo.
• La sua distanza dai centri urbani.
Il programma HAARP ha portato alla costruzione di un sistema di 360 antenne, alte 23 metri, capaci di trasmettere, con l’obiettivo di migliorare le comunicazioni militari, un "raggio" d’energia ad alta frequenza nella ionosfera. La ionosfera è quella parte di regione atmosferica che inizia sui 50 Km d’altitudine e termina intorno agli 800 Km. Secondo le indiscrezioni più recenti, quest’arma sarebbe capace di interferire con estese zone dell’atmosfera e quindi, secondo la logica militare, abbattere missili ed aerei e qualche cosa d’altro.
Esistono oltre 400 brevetti collegati al progetto HAARP e la maggioranza di questi sono progetti offensivi o per meglio dire sono armi offensive. Rimane sempre la logica che sfrutta il sistema d’irraggiamento a fascio d’energia, diretto dalla terra verso lo spazio. Si può veicolare l’alta frequenza energetica in una zona dove è stata istallata un’antenna ricevente, ma si può irradiare, oltre che nelle zone militari, anche in centri urbani. Naturalmente non è sfuggito agli alti comandi militari l’utilizzo di una simile tecnologia per abbattere oggetti volanti d’origine extraterrestre, se ciò fosse naturalmente possibile. Pure gli scienziati sovietici si sono dedicati ad una simile ricerca per oltre 25 anni, sino a quando il cambio politico e lo smembramento dell’URSS hanno determinato un fortissimo indebolimento economico, con conseguente privazione dei necessari sostegni finanziari agli istituti d’investigazione.
Oltre alla sede di Gakona, ci sono altre installazioni simili, dislocate in varie parti del pianeta. La prima si può localizzare in Arecibo (Porto Rico), la seconda a Fairbanks in Alaska, la terza a Tromso (Norvegia), poi a Pine Bush in Australia ed infine a Steeplebush in Inghilterra. Sicuramente si stanno costruendo altre installazioni del genere nell’emisfero meridionale del pianeta.
Si è saputo che nell’impianto pilota di Gakona si è in grado di irradiare 1.700.000.000 di Watt in atmosfera. Questo è effettivamente lo sviluppo negativo dell’invenzione di Tesla. Egli odiava la guerra e, a tal proposito, dichiarò: "Non si può abolire la guerra mettendola fuori legge. Non vi si può porre fine disarmando i forti. Ma si può fermarla rendendo tutti i paesi in grado di difendersi. Ho appena scoperto una nuova arma di difesa che, se verrà adottata, trasformerà completamente i rapporti tra le nazioni. Le renderà tutte, grandi e piccole che siano, invulnerabili a qualsiasi attacco proveniente dalla terra, dal mare o dall’aria. Bisognerà, in primo luogo, costruire una grande officina per fabbricare quest’arma, ma quando sarà completata, sarà possibile distruggere uomini e macchine in un raggio di 320 Km."
Nel 1934 Tesla descrisse in un articolo un’apparecchiatura simile al laser, affermando: "Questo strumento proietta particelle che possono essere relativamente grandi o microscopiche, che permettono di trasmettere a gran distanza un’energia milioni di volte più forte di quella ottenibile con qualsiasi altro raggio. Così una corrente più sottile di un filo può trasmettere migliaia di cavalli vapore. E nulla le può resistere."
A causa delle sue dichiarazioni, corse voce che Tesla avesse inventato un "raggio della morte". Egli immediatamente replicò: "L’invenzione di cui ho parlato, a diverse riprese, non ha niente a che vedere con ciò che comunemente viene definito 'raggio della morte'."
Vorrei concludere su Nikola Tesla, uno dei più geniali uomini apparsi in questo pianeta, con una sua frase emblematica che descrive la sua natura di scienziato in maniera superlativa: "Il dono della forza della ragione ci viene da Dio, dall’Essere Divino, e se concentriamo le nostre menti su questa verità, stabiliamo un’armonia con questa grande forza. Mia madre mi aveva insegnato a cercare ogni verità nella Bibbia. - Nikola Tesla".

teoria della relatività

2008-06-03T10:48:00.001+02:00

Teoria della relatività
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In fisica, col termine relatività si fa riferimento genericamente alle trasformazioni matematiche che devono essere applicate alle descrizioni dei fenomeni nel passaggio tra due sistemi di riferimento in moto relativo. L'espressione teoria della relatività è usata per riferirsi ad una delle particolari teorie, come la teoria della relatività speciale o quella generale di Einstein, che hanno come elemento fondante un particolare principio di relatività.

Evoluzione della teoria della relatività
Gli antichi greci cominciarono a interrogarsi sulla natura, sul suo ordine (cosmo) e sulla possibilità dell'esistenza di princìpi e leggi di natura. Quasi tutti i filosofi dell'antichità, tra cui Eraclito, Parmenide, Zenone, Leucippo, Democrito, Platone ed Aristotele, si occuparono di questioni che almeno in parte sono inerenti a quella che oggi viene chiamata fisica, parola che ha origine greca e che sta a rappresentare "le cose della natura". Nella fisica di Aristotele si trovano quelle che si potrebbero considerare come le prime teorie, in senso moderno, sul moto; benché egli non sia un precursore del principio d'inerzia, si può già riconoscere, all'interno dei suoi scritti, alcune tematiche a tutt'oggi attuali. Alcuni studiosi vi hanno riscontrato intuizioni relativistiche.

La scienza moderna comincia con l'assunto fondamentale, dovuto a Galileo Galilei, che le leggi della fisica abbiano la stessa forma rispetto a qualunque sistema di riferimento si adotti nel quale valga il principio di inerzia. Questo assunto venne definito nel 1609, è oggi chiamato principio di relatività galileiano, tuttora valido. Esso si basa sulla grande intuizione di Galileo della composizione dei moti e quindi della legge di somma delle velocità: se due osservatori sono in moto relativo tra loro e ognuno di loro si sposta con uniformità, in modo che la velocità relativa sia costante, misureranno spazi differenti rispetto allo stesso evento, ma la "forma" delle loro osservazioni ha la stessa veste algebrica. Nulla tuttavia si dice sui tempi.

Il concetto che il tempo sia legato al sistema di riferimento è il contributo proprio ed originale di Albert Einstein. Infatti, quando Newton, leggendo e studiando con accuratezza sia il Dialogo sopra i Massimi Sistemi, sia i Discorsi sopra una Nuova Scienza, interpretò le intuizioni originali presenti a livello geometrico negli scritti di Galileo, le assimilò e le fece proprie, originando così la forma matematica e fisica della meccanica, si trovò di fronte al principio di relatività e gli divenne manifesto che la sua adozione implicasse in modo necessario un riferimento in cui la prima legge della dinamica (la legge di inerzia di Galileo) dovesse avere piena validità. Il vero problema tuttavia era e rimane dove collocare tale sistema di riferimento: risolse il dilemma asserendo che tutti gli spazi relativi si riferissero ad uno spazio assoluto, il solo esistente invariato e immutabile, e che l'immutabilità dello spazio assoluto fosse nient'altro che l'espressione dell'esistenza di un tempo assoluto, che scorre uniformemente, pervadendo tutto lo spazio assoluto.

La soluzione di Newton fu brillante e diventò un paradigma destinato a durare per secoli. Già Galileo, tuttavia, con i suoi tentativi di misurare la velocità della luce su base terrestre, esprimeva dubbi non risolti per l'epoca su come si dovesse intendere il principio di relatività e quindi il principio di inerzia ad esso strettamente correlato. Questi dubbi rimasero sopiti, offuscati dal fulgore del grande successo della meccanica newtoniana, fino al 1905.

Con l'avvento delle equazioni di Maxwell, delle trasformazioni di Lorentz e infine della teoria della relatività di Einstein viene meno il concetto, fino ad allora dato per scontato, di tempo assoluto. La teoria ristretta parte dall'assunto che se la velocità della luce è una costante allora il tempo e lo spazio sono delle variabili. Il tempo e lo spazio sono legati insieme a formare quello che viene chiamato spaziotempo. Quando ci si muove rispetto ad un sistema di riferimento il tempo rallenta e la massa aumenta in maniera crescente man mano che ci si avvicina alla velocità della luce. Da qui si deduce il motivo per cui la teoria della relatività ristretta dice che non è possibile superare, o anche solo raggiungere, la velocità della luce; il tempo si fermerebbe e la massa diventerebbe infinita. La relatività generale postula invece l'uguaglianza della massa gravitazionale e della massa inerziale, e ne ricava la "forma" dello spaziotempo, ovvero la sua metrica generale.

Si dice "teoria" della relatività non perché sia una semplice teoria ancora da confermare, ma semplicemente perché questo è il nome dato alla sua nascita e da allora non è mai stato modificato. Nonostante abbia dei limiti, in quanto considera continui la materia e lo spaziotempo e tralascia la meccanica quantistica, resta una delle teorie più precise mai verificate sperimentalmente.

Teoria galileiana
Nata con la fisica classica dal punto di vista matematico, è rappresentata da un sistema di equazioni che lega le coordinate di un sistema di riferimento con quelle di un secondo sistema di riferimento che si muove con velocità costante v rispetto ad esso. Le trasformazioni classiche consistono in: relatività galileiana, relatività di Galileo-Newton e trasformazioni di Galileo.

Due osservatori, che devono poter comunicare fra di loro, determinano due diverse posizioni per il medesimo oggetto mobile che si trova in una data posizione. I due osservatori OI e OII che studiano il moto di un medesimo punto P, determinano contemporaneamente la posizione di P e dell'altro osservatore, PI (distanza tra osservatore OI e il punto P) e PI-II (distanza tra OI e OII) per OI e PII (distanza tra OII e il punto P) e PII-I (distanza tra i due osservatori) per OII. Poiché lo spazio si considera euclideo, essi sanno che

PI − II = − PII − I

La relazione fra le due misure è:

PI = PII + PI − II

oppure

PII = PI + PII − I

e quindi entrambi, utilizzando le proprie misure, sono in grado di calcolare cosa ha misurato l'altro. Può anche bastare che uno dei due osservatori effettui le misure e le trasmetta all'altro per i calcoli. Se gli osservatori determinano la posizione P in istanti diversi di una successione temporale allora sono in grado di determinare il vettore posizione di P in funzione del tempo basandosi sulla seguente relazione

PI(t) = PII(t) + PI − II(t)

Le stesse osservazioni effettuate sul piano si possono riproporre nello spazio.

Per poter correlare le due determinazioni, queste devono essere eseguite nel medesimo istante. I due osservatori si devono quindi scambiare un segnale per accordarsi su quando fare la misura e il segnale deve propagarsi istantaneamente (cioè con velocità infinita). Al contrario, se il segnale si deve trasmettere con velocità finita e nota, i due osservatori prima di allontanarsi l'uno dall'altro, per andare ad eseguire le rispettive misure, possono sincronizzare i loro orologi, ma allora si deve supporre che il movimento degli orologi non alteri il sincronismo, né il passo degli orologi stessi (ipotizzando che gli orologi siano della medesima fattura), cosa che si può verificare scambiando dei segnali, ma si ottiene ancora una misura "non corretta", cioè in contraddizione col concetto di tempo assoluto.

Galileo aveva chiaro il problema; fece il tentativo di misurare la velocità della luce, solo che si basò su una distanza terrestre di circa 30 chilometri, la distanza tra due colline in Toscana, da una delle quali egli con un assistente sull'altra collina avrebbero dovuto misurare il tempo di propagazione della luce di una lanterna, prima coperta con un panno e poi scoperta brevemente, con il battito del proprio polso; in queste condizioni non riuscì neppure a sentire due battiti del proprio polso che la luce era già arrivata, dal che Galileo dedusse che la velocità fosse estremamente alta, ma in cuor suo era pronto a giurare che fosse finita. Si poteva quindi trascurare il tempo di propagazione del segnale.

Ciò consente l'effettuazione di misure sincrone. In questo consiste l'approssimazione della relatività di Galileo, validissima in situazioni comuni, nelle quali le velocità in gioco siano molto al di sotto della velocità della luce.

Le teorie galileiane, del tutto valide nel campo della meccanica, dinamica e cinematica, non hanno però validità in campi della fisica, come per esempio nell'elettromagnetismo, nei quali intervengono fenomeni e processi con velocità paragonabili alla velocità della luce: in queste situazioni diventa necessario, per misurare grandezze fisiche in altri sistemi inerziali diversi dal proprio, applicare le trasformazioni di Lorentz, scoperte da Albert Einstein nel 1905. Inoltre sono corrette solo per velocità piccole rispetto alla velocità della luce, quando gli effetti relativistici di Einstein sono piccoli rispetto alle quantità in gioco.

Secondo il fisico Leonardo Ricci, la relatività galileiana era già nota prima della sua formulazione, almeno nei principi generali, legati alla relatività dello spazio. A sostegno della sua ipotesi, Ricci cita Dante Alighieri. Nel canto XVII dell'Inferno, e precisamente nei versi 115-117, il poeta scrive:

«Ella sen va notando lenta lenta;
rota e discende, ma non me n'accorgo
se non che al viso e di sotto mi venta»

In un articolo pubblicato su Nature nel 2005, Ricci fa notare come Dante fosse ben consapevole della visione scientifica del mondo suo contemporaneo; senza di essa non avrebbe potuto scrivere la sua opera. Di passaggio, Ricci rileva che fu proprio Galileo, profondo conoscitore della Divina Commedia, a fornire una prima stima del diametro del girone, in circa 60 chilometri. Galilei si basò su due indicazioni precise (verso 9 del canto XXIX e ai versi 86-87 del canto XXX). Aggiunge Ricci: «Un fisico contemporaneo può dimostrare che, date queste dimensioni e qualunque sia la velocità, la forza fittizia centrifuga avvertita dal passeggero risulterebbe molto più piccola della forza superficiale dovuta al vento apparente: nessuna forza di questo genere è menzionata nella narrazione. Benché un simile ragionamento vada oltre quelle che erano le conoscenze fisiche del Medioevo, Dante aveva tuttavia intuito come il suo moto fosse di fatto rettilineo: egli stesso ne indica la direzione, scomponendo il vettore che descrive il vento apparente nelle due componenti orizzontale ("al viso") e verticale ("di sotto")».

Critica della relatività galileiana
Verso la fine del 1800, Ernst Mach e diversi altri, fra cui Hendrik Lorentz, si scontrarono con i limiti della relatività galileiana, non utilizzabile per i fenomeni elettromagnetici. Einstein si trovò quindi di fronte a due trasformazioni diverse: quelle di Galileo, valide in meccanica e quelle di Lorentz, valide per l'elettromagnetismo ma prive di un supporto teorico convincente. La situazione era molto insoddisfacente.

PARADOSSO:

Un paradosso, dal greco parà (contro) e doxa (opinione), è qualcosa che sfida l'opinione comune: si tratta, infatti (secondo la definizione che ne dà Mark Sainsbury) di

"una conclusione apparentemente inaccettabile, che deriva da premesse apparentemente accettabili per mezzo di un ragionamento apparentemente accettabile".

In filosofia ed economia il termine paradosso è usato come sinonimo di antinomia. In matematica si tende a distinguere il concetto di paradosso, che consiste in una proposizione perfettamente dimostrata, ma lontana dall'intuizione, dal concetto di antinomia, che consiste in una vera e propria contraddizione logica.

Storia
Principale sostenitore della questione fu Herbert Dingle, filosofo inglese. Pur avendo ricevuto numerose confutazioni logiche da Einstein e Bohr, egli continuò a scrivere ai giornali, e quando questi ultimi cominciarono a rifiutare le pubblicazioni, parlò di un complotto ai suoi danni.

Enunciato del paradosso
Consideriamo un'astronave che parta dalla Terra nell'anno 3000; che mantenendo una velocità costante v raggiunga la stella Wolf 359, distante 8 anni luce dal nostro pianeta; e che appena arrivata, inverta la rotta e ritorni sulla Terra, sempre a velocità v. Di una coppia di fratelli gemelli, l'uno salga sull'astronave, mentre l'altro rimanga a Terra.

Volutamente, nei calcoli trascuriamo per semplicità l'accelerazione e la decelerazione della navetta, anche se, per portarsi a velocità relativistiche in tempi brevi, occorrerebbero accelerazioni insostenibili per l'uomo e per la nave.

Supponiamo che v sia di 240.000 km/sec, cioè v = 0.8 c. Per questa velocità si ha:

per cui, secondo la teoria della relatività ristretta, nel sistema in movimento il tempo scorre al 60% del tempo nel sistema in quiete. Quindi:

Nel sistema di riferimento della Terra, l'astronave percorre 8 anni luce in 10 anni nel viaggio di andata, e ne impiega altrettanti nel viaggio di ritorno: essa quindi ritorna sulla Terra nel 3020. Sull'astronave, però, il tempo scorre al 60% del tempo della Terra, quindi secondo l'orologio dell'astronauta il viaggio dura 6 anni per l'andata e altrettanti per il ritorno: all'arrivo, quindi, il calendario dell'astronave segna l'anno 3012. Il fratello rimasto sulla Terra è perciò, dopo il viaggio, di otto anni più vecchio del suo gemello.
Nel sistema di riferimento dell'astronave, per effetto della contrazione relativistica delle lunghezze, la distanza fra la Terra e Wolf 359 si accorcia al 60%, cioè a 4.8 anni luce: alla velocità di 0.8 c, si impiegano quindi, secondo l'orologio dell'astronave, 6 anni per l'andata e 6 per il ritorno, coerentemente con quanto calcolato nel sistema di riferimento della Terra. Ma, poiché in questo sistema di riferimento è la Terra a muoversi, è il suo orologio che va al 60% del tempo dell'astronave: quando l'astronave fa ritorno, sulla Terra sono trascorsi solo 7.2 anni, perciò non è l'anno 3020, ma il 3007, ed è il fratello a bordo dell'astronave ad essere di 4.8 anni più vecchio.
Paradossi di Zenone
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I paradossi di Zenone ci sono stati tramandati attraverso la citazione che ne fa Aristotele nella sua Fisica. Zenone di Elea, discepolo ed amico di Parmenide, per sostenere l'idea del maestro, che la realtà è costituita da un Essere unico e immutabile, propose alcuni paradossi che dimostrano, a rigor di logica, l'impossibilità della molteplicità e del moto, nonostante le apparenze della vita quotidiana.

Le argomentazioni di Zenone costituiscono forse i primi esempi del metodo di dimostrazione noto come reductio ad absurdum o dimostrazione per assurdo. Sono anche considerate un primo esempio del metodo dialettico, usato in seguito dai sofisti e da Socrate.

Oggi non si attribuisce valore fisico alle argomentazioni di Zenone, ma la loro influenza è stata molto importante nella storia del pensiero filosofico e matematico.

I paradossi di Zenone restano anche un utile esercizio di logica, per riflettere sulla modalità di costruzione dei ragionamenti umani. Si ricordano due paradossi contro il pluralismo e quattro contro il movimento.

Paradossi contro il pluralismo
Primo paradosso
Il primo paradosso, contro la pluralità delle cose, sostiene che se le cose sono molte esse sono allo stesso tempo un numero finito e un numero infinito: sono finite in quanto esse sono né più né meno di quante sono, e infinite poiché tra la prima e la seconda ce n'è una terza e così via.

Secondo paradosso
Il secondo paradosso invece sostiene che se queste unità non hanno grandezza, le cose da esse composte non avranno grandezza, mentre se le unità hanno una certa grandezza, le cose composte da infinite unità avranno una grandezza infinita.

Gemelli e spazio curvo

Il famoso paradosso dei gemelli si basa sul fatto che i due sistemi del gemello che parte sull'astronave e del gemello che rimane fermo sembrano simmetrici ma in realtà non lo sono, perchè per tornare indietro il gemello astronauta deve accelerare, perdendo quindi la qualità di sistema inerziale. Se l'Universo fosse incurvato su se stesso, cioè ipoteticamente sarebbe possibile partire da un punto e andando sempre avanti ci si ritroverebbe, dopo aver attraversato tutto l'Universo, nel punto stesso, cosa succederebbe se il gemello astronauta compiesse questo lungo percorso in moto rettilineo uniforme e si ritrovasse al punto stesso senza aver accelerato? Tornando sulla Terra chi sarebbe più vecchio? (naturalmente morirebbero entrambi prima che il viaggio possa essere completato ma ammettiamo che la vita umana sia molto lunga...)

La relatività secondo Einstein
Con Albert Einstein, la teoria della relatività ebbe un ulteriore sviluppo e oggi si tende ad associare a tale teoria il nome del fisico tedesco. La sua teoria si compone di due distinti modelli matematici, che passano sotto il nome di:

Relatività ristretta
Relatività generale
Relatività ristretta
La relatività ristretta, chiamata anche relatività speciale, fu la prima ad essere presentata da Einstein, con l'articolo "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" (elettrodinamica dei corpi in movimento) del 1905, per conciliare il principio di relatività galileiano con le equazioni delle onde elettromagnetiche.

Precedentemente, a tal fine, erano state proposte alcune teorie che si basavano sull'esistenza di un mezzo di propagazione delle onde elettromagnetiche, chiamato etere; tuttavia, nessun esperimento era riuscito a misurare la velocità di un corpo rispetto all'etere. In particolare, grazie all'esperimento di Michelson-Morley fu dimostrato che la velocità della luce è costante in tutte le direzioni, indipendentemente dal moto della Terra, non risentendo così del cosiddetto "vento di etere".

La teoria di Einstein scarta quindi il concetto di etere, che oggi non viene più utilizzato dai fisici, anche se informalmente si parla ancora di etere per indicare lo spazio in cui si propagano le onde elettromagnetiche.

La relatività ristretta prende in esame ciò che accade quando gli osservatori si muovono l'uno rispetto all'altro ma non prende in considerazione gli effetti del campo gravitazionale che verranno invece introdotti nella teoria della relatività generale. Essa accetta il principio di Galileo secondo il quale non è possibile discernere se un osservatore è in moto rispetto ad un altro, se nel sistema di riferimento si prendono due osservatori, dato che lo spazio è omogeneo e isotropo. La teoria si basa su due assunti:

Le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori in moto inerziale.
La velocità della luce nel vuoto è costante in ogni sistema di riferimento
Relatività generale
La teoria della relatività generale venne presentata come serie di letture presso l'Accademia Prussiana delle Scienze, a partire dal 25 novembre 1915, dopo una lunga fase di elaborazione. Esiste un'annosa polemica sulla pubblicazione delle equazioni di campo tra il matematico tedesco David Hilbert ed Einstein; tuttavia, alcuni documenti attribuiscono con una certa sicurezza il primato ad Einstein.

Il fondamento della relatività generale è l'assunto, noto come principio di equivalenza, che un'accelerazione sia indistinguibile dagli effetti di un campo gravitazionale, e dunque che la massa inerziale sia uguale alla massa gravitazionale. Tramite il calcolo tensoriale, Einstein riuscì a determinare la struttura dello spaziotempo, partendo dai tre semplici assunti della relatività ristretta e generale.

Pur dimostrandosi nel tempo estremamente accurata, la relatività generale è una teoria classica, cioè una teoria del continuo, in quanto sviluppata indipendentemente dalla meccanica quantistica e finora mai riconciliata con essa, così come la fisica quantistica, pur potendo includere la relatività ristretta, non tiene conto degli aspetti della relatività generale.

È lecito supporre che, se Einstein fosse stato meno scettico nei riguardi della meccanica quantistica, che pure aveva contribuito a creare, la storia della fisica sarebbe stata differente. Nella relatività generale i limiti sono dovuti essenzialmente al trattamento delle singolarità e degli stati della materia in cui le interazioni gravitazionali e quantistiche arrivano ad avere lo stesso ordine di grandezza. Tra le evoluzioni prospettate per tale teoria, le più note ed investigate sono la teoria delle stringhe e la gravitazione quantistica a loop.

La relatività in senso assoluto rappresenta una difficoltà, in quanto fa riferimento al vuoto assoluto, che in realtà non esiste, in quanto anche la singola attrazione modifica la velocità dei corpi che attraversano la massa; infatti, in realtà un raggio di luce che cade perpendicolare su un liquido a bassa resistenza luminosa devia, facendo cosi capire che diminuisce la sua velocità cinetica.

E = mc²
La formula E = mc², propria della teoria della relatività, è sicuramente una delle formule matematiche più famose e molto probabilmente la più famosa in assoluto, ciò grazie alla sua estrema eleganza e semplicità. In sostanza, la formula prende in considerazione:

E = energia
m = massa
c = velocità della luce
Diventa inoltre facile capire come massa ed energia si equivalgano e come esse siano due facce della stessa medaglia; in sostanza la massa è energia estremamente concentrata. Proprio questa equivalenza tra massa ed energia spiega come, concentrando un grosso quantitativo di energia, si possa creare della massa, e quindi materia, e anche come si possa ottenere un grandissimo quantitativo di energia partendo da una piccolissima massa.

Un'applicazione pratica di questo concetto è possibile vederla nel decollo dello Space Shuttle. Quando decolla, di tutto il propellente usato solo all'incirca un grammo diventa energia; tutto il resto si converte in fumo e prodotti della combustione. Utilizzando l'energia nucleare la resa aumenta, ma in una comune bomba atomica, ad esempio, viene convertito in energia solo all'incirca lo 0,5% della massa totale del materiale fissile. Se fosse possibile convertire per intero la massa in energia, il fabbisogno energetico degli abitanti della Terra sarebbe senza alcun dubbio risolto: un chilogrammo di materia corrisponde a 25 miliardi di kWh (25.000 GWh). Questa enorme quantità di energia equivale al consumo mensile di energia elettrica in Italia (che nel 2004 è stato, in media, di 25.374 GWh). L’equivalenza massa-energia ha dimostrato la sua straordinaria potenza anche con le bombe atomiche. La bomba di Hiroshima era di 13 chilotoni, che equivalgono a 54.600 miliardi di joule (13 x 4,2 x 10¹² J); ma questa energia rappresenta soltanto il 60% di quella che sarebbe sprigionata dalla conversione di un solo grammo di materia, che è pari a 90.000 miliardi di joule.

La formula esprime in qualsiasi sistema di riferimento l'energia totale di una particella ferma.

Se il corpo è in movimento, la formula corretta (e completa) è:

con .

Per un corpo che parte da riposo vale che v = 0 e γ = 0, e ritroviamo il caso particolare .

La massa è qui intesa come massa relativistica del corpo, da distinguere dalla massa inerziale m. La massa inerziale può essere considerata una proprietà del corpo, poichè in un moto inerziale essa rimane inalterata. In un moto inerziale, non verificandosi variazioni della gravitazione, velocità, direzione e verso del moto non subiscono variazioni. All'opposto un cambiamento della gravitazione coimplica una variazione del vettore velocità: se cambia la velocità del corpo, è la sua massa anmodificare il campo esterno; viceversa, una variazione significativa della gravitazione circostante può chiaramente modificare traiettoria e l'intensità del moto.

Il concetto di massa relativistica si può comprendere immaginando che un grave di un kg di peso, che cade a terra a una velocità di 100 km/h compie lo stesso danno di un grave di un quintale di peso che cade da pochi centimetri di altezza. La potenza del danno dipende dalla quantità di moto, dai fattori massa e velocità. Il concetto di massa reativistica, estende il concetto di massa gravitazionale, così come la teoria di Einstein generalizza la gravità di Newton.

Con queste considerazione ha senso definire una massa che dipende dalla velocità (e sarebbe il prodotto della massa propria, inerziale, per il termine γ):

m = m(v), e in particolare che:

,e che:

.

In altre parole, la massa relativistica non è una proprietà indipendente dalla velocità v, ma cresce con questa. Quando la velocità si aprossima a quella della luce, la massa del corpo tende all'infinito.

Per accelerare un corpo, avente massa diversa da zero, da riposo alla velocità della luce sarebbe necessaria un'energia infinita. Ciò sarebbe necessario non solo per superare la velocità della luce, ma per arrivarvi a meno di una quantità piccola quanto si vuole, di un infinitesimo.

Una seconda motivazione, per la qule non può essere superata la velocità della luce, deriva dalle quazioni che spiegano la contrazione/dilatazione di spazio-tempo nella relatività ristretta.

Ipotesi sulle origini
La genesi e la paternità della teoria della relatività, così come fu elaborata da Albert Einstein, è circondata da una sorta di mistero che periodicamente torna ad affiorare, generando discussioni nel mondo scientifico. Negli anni ottanta un gruppo di studiosi portò avanti su un quotidiano italiano, Il Giornale di Vicenza, una lunga battaglia a sostegno di una tesi secondo cui la celebre equazione di Einstein, E=mc², sarebbe stata fatta derivare direttamente dallo studio Ipotesi dell'etere nella vita dell'universo, presentata nel 1903 al Reale Istituto Veneto di Scienze, Lettere e Arti di Schio (VI) da Olinto De Pretto (1867-1921). De Pretto, laureato in agraria, di professione industriale ma appassionato di fisica e di geologia, non rivendicò mai però la paternità - neppure in nuce - della celeberrima formula. Nel 1999, il "Caso De Pretto" ha trovato tuttavia nuova linfa per mezzo di Umberto Bartocci, docente di storia della matematica all'Università di Perugia, il quale ha narrato la propria visione dei fatti nel pamphlet - accolto peraltro con un certo scetticismo dall'ambiente accademico - Albert Einstein e Olinto De Pretto, la vera storia della formula più famosa del mondo. Ma Einstein, in base alle supposizioni formulate nel tempo intorno al suo lavoro, potrebbe essere stato aiutato nelle sue elaborazioni sulla relatività generale da un altro italiano: il matematico Gregorio Ricci Curbastro (1853-1925) che mise a punto propri particolari calcoli tensoriali.

La curvatura dello spaziotempo

Una celebre illustrazione divulgativa della curvatura dello spaziotempo dovuta alla presenza di massa, rappresentata in questo caso dalla Terra.

La teoria afferma infatti che lo spaziotempo viene più o meno curvato dalla presenza di una massa; un'altra massa più piccola si muove allora come effetto di tale curvatura.
Spesso, si raffigura la situazione come una palla che deforma il piano del biliardo con il suo peso, mentre un'altra pallina viene accelerata da questa deformazione del piano ed in pratica attratta dalla prima.
Questa è solo una semplificazione alle dimensioni raffigurabili, in quanto ad essere deformato è lo spazio-tempo e non solo le dimensioni spaziali, cosa impossibile da raffigurare e difficile da concepire.

L'unica situazione che riusciamo a raffigurare correttamente è quella di un universo a 1 dimensione spaziale ed una temporale. Un qualunque punto materiale è rappresentato da una linea (linea di universo), non da un punto, che fornisce la sua posizione per ogni istante: il fatto che sia fermo o in moto farà solo cambiare l'inclinazione di questa retta. Ora pensiamo di curvare tale universo usando la terza dimensione: quello che prima era la retta che descriveva un punto, ora è diventata una superficie.

Su una superficie curva non vale la geometria euclidea, in particolare è possibile tracciare un triangolo i cui angoli sommati non forniscono 180° ed è anche possibile procedere sempre nella stessa direzione, ritornando dopo un certo tempo al punto di partenza.

Descrizione della gravitazione
Ogni particella di materia si muove a velocità costante lungo una curva, chiamata geodetica che in ogni momento (cioè localmente) può essere considerata retta. La sua velocità è data dal rapporto tra la distanza spaziale percorsa ed il tempo proprio, dove il tempo proprio è quello misurato nel riferimento della particella, mentre la distanza spaziale dipende dalla metrica che definisce la struttura dello spazio-tempo. La curvatura determina l'effettiva forma delle geodetiche e quindi il cammino che un corpo segue nel tempo.
In altre parole, un corpo libero si muove nello spazio-tempo sempre lungo una geodetica, allo stesso modo in cui nella meccanica classica un corpo non sottoposto a forze si muove lungo una retta. Se la struttura dello spazio-tempo in quel punto è piatta, la geodetica sarà proprio una retta, altrimenti assumerà forme diverse, ma il corpo la seguirà comunque. In questo modo, la gravità viene ad essere inglobata nella struttura dello spazio-tempo.

Ancora una volta, è da notare che tale curvatura è applicata non solo alle coordinate spaziali, ma anche a quella temporale; questo porta a notevoli difficoltà pratiche nel tentare di immaginare una simile superficie a 4 dimensioni.

Fondamenti della teoria

Anche gli impulsi elettromagnetici vengono deviati dalla forza gravitazione secondo la teoria della relatività. Nell'immagine una rappresentazione grafica di un segnale inviato da una sonda che viene deviato dalla gravità del Sole e raggiunge la Terra

In presenza di sistemi accelerati (o, che è lo stesso, sistemi sotto l'influenza della gravità), si possono definire come inerziali solo zone locali di riferimenti e per brevi periodi. Questo corrisponde ad approssimare con una superficie piana ciò che sarebbe una superficie curva su larga scala. In tali situazioni valgono ancora le leggi di Newton.

Ora il principio di equivalenza afferma che non esiste un esperimento locale per distinguere tra una caduta libera in un campo gravitazionale ed un moto uniforme in assenza di campo (ascensore di Einstein)

Matematicamente, Einstein descrive lo spazio-tempo come uno pseudo-spazio di Riemann a 4 dimensioni; la sua equazione di campo lega la curvatura in un punto al tensore energia in quel punto, essendo tale tensore dipendente dalla densità di materia ed energia.
L'equazione di campo indicata da Einstein non è l'unica possibile, ma si distingue per la semplicità dell'accoppiamento tra materia/energia e curvatura.

Tale equazione contiene un termine Λ, chiamato costante cosmologica, introdotto da Einstein per permettere un universo statico. Nella decina di anni successiva, osservazioni di Hubble mostrarono che l'universo è (o comunque appare) in espansione ed il termine cosmologico venne omesso (lo stesso Einstein giudicò la sua introduzione l'errore più grave da lui commesso nella vita). Sembra però che Einstein fosse condannato ad avere ragione anche quando sbagliava: come successe per la teoria dei quanti, che contribuì a fondare per poi ritenere sbagliati certi principi (come il principio di indeterminazione di Heisenberg), anche la costante cosmologica è stata riabilitata. Nel 1998, l'osservazione dello spostamento verso il rosso di supernovae lontane, ha costretto gli astronomi a impiegare una costante cosmologica per spiegare l'accelerazione dell'espansione dell'Universo.

La visione del nuovo mondo di Nikola Tesla

2008-05-13T13:24:00.002+02:00

Le parole di Nikola Tesla che risponde alla redazione del New York Times, cercando di chiarire determinati concetti che erano stati evidentemente fraintesi - in una nota dell'11 marzo 1908 . Il New York Times, il 21 aprile del 1908, riporterà a sua volta la sua replica in un articolo intolato "How the Electrician's Lamp of Aladdin May Construct New Worlds" , quasi a voler ridicolarizzare le visioni futuristiche dello scienziato di Nikola Tesla.

Le teorie scientifiche di Tesla sono state, sin dal principio, oggetto di studio e di feroci polemiche, considerate sciocche allucinazioni di un "inventore" che credeva di aver scoperto "la lampada di Aladino". I giornali dell’epoca seguivano con attenzione la carriera di un uomo così umile e geniale, e spesso provavano a sminuire le sue affermazioni, nel tentativo di screditare teorie scientifiche troppo rivoluzionarie, che avrebbero seriamente compromesso l’ordine mondiale economico che in quegli anni si veniva a formare. Tesla, tuttavia, non si lasciava coinvolgere dalla propaganda dei media, e riusciva con intelligenza a tenere testa alla disinformazione, senza cogliere provocazioni e spiegando con estrema semplicità i suoi pensieri. Così, il 19 Aprile del 1908 risponde alla redazione del New York Times, cercando di chiarire determinati concetti che erano stati evidentemente fraintesi. Il New York Times, il 21 aprile del 1908, riporterà la sua replica in un articolo intolato "How the Electrician's Lamp of Aladdin May Construct New Worlds" , quasi a voler ridicolarizzare le visioni futuristiche dello scienziato di Nikola Tesla.

"Quando parlai di guerra futura, intendevo dire che si potranno utilizzare onde elettriche dirette senza l'uso di aerei o gli altri attrezzi di distruzione. Questo vuol dire, come ho già puntualizzato, che sarebbe ideale non solo utilizzare energia nei conflitti senza alcun sforzo per la manutenzione della sua potenzialità, ma sarebbe fondamentale farlo in tempi di pace. Questo non è un sogno. Anche adesso, potrebbero essere costruiti impianti di produzione di energia wireless in ogni parte del mondo, senza sottoporre la popolazione ad alcun pericolo". Questo è ciò che scrive Nikola Tesla rispondendo alle provocazioni del New York Times - pubblicate in una nota dell'11 marzo 1908 - preannunciando così quello che è il nostro futuro più prossimo, in cui vi saranno "guerre elettromagnetiche", e l’introduzione di quella che viene definita WiTricity. In effetti le sue non sono visioni, ma una chiara previsione dell’evoluzione delle tecnologie, considerando che sapeva bene che le forze esistenti nella Terra e nell’Universo sarebbero state utilizzate prima o poi dall’uomo. Per tale motivo si definisce un "uomo di scienza" e non "un inventore", perché l’energia è già esistente nella natura, non bisogna inventarla ma portarla alla luce nella sua piena potenzialità.

"Ciò che ho affermato con riferimento al più grande traguardo dell’uomo di scienza, la cui mente è volta al dominio dell'universo fisico, non è nulla di più di ciò che ho già affermato in una delle mie pubblicazioni inedite: «Secondo una teoria adottata, ogni atomo misurabile è differenziato da un fluido tenue, che riempie tutto lo spazio con un movimento circolare, come un vortice di acqua in un lago calmo. Mettendo in movimento questo fluido, l'etere, diviene materia. Arrestato il suo movimento, la sostanza primaria regredisce al suo stato normale. Quindi, sembra possibile per l'uomo, attraverso l'energia imprigionata del mezzo e degli agenti idonei, azionare o fermare il moto dell'etere provocando la formazione o la scomparsa della materia. Al suo comando, i vecchi mondi svanirebbero quasi senza alcun sforzo da parte sua, ed i nuovi verrebbero ad esistere. L’uomo potrebbe modificare la massa di questo pianeta, controllare le stagioni, modificare la sua distanza dal sole, guidarlo sul suo viaggio eterno lungo ogni percorso che decida di scegliere, attraverso la profondità dell'universo. Potrebbe portare in collisione i pianeti, potrebbe creare i soli e le stelle, il suo calore e luce, potrebbe originare la vita in tutte le sue forme infinite. Generare, a suo piacimento, la nascita e la morte della materia sarebbe il più grande atto dell'uomo che gli darebbe il dominio della creazione fisica, rendendo possibile la realizzazione del suo fine ultimo.»

Nulla potrebbe essere più lontano dal mio pensiero che definire la telefonia senza fili in tutto il mondo "il più grande risultato dell'umanità", come invece riportato. Questo è un atto che, stupendo in ogni caso il lettore, può essere facilmente compito da ogni esperto. Io stesso ho costruito un impianto per questo scopo. Il wireless è solo il principio, non il risultato di una straordinaria capacità come si crede. La verità è che «all'elettricista è stato dato una vera lampada di Aladino. Tutto ciò che deve fare è strofinarla. Ora, strofinare la lampada di Aladino non è una scoperta.» Se voi siete impazienti di accelerare il raggiungimento di una scoperta ancora più grande e superiore, voi potete opporvi con tutte le vostre forze ad ogni potere che intende interferire con lo sfruttamento commerciale e libero del potere dell'acqua e dell'arte del wireless. Così i progressi umani dipendono esclusivamente dallo sviluppo di questi, e il più piccolo ostacolo, magari derivante delle strutture legislative di questo paese può riportare indietro la civiltà posteriore e compromettere la pace per secoli".

Le chiari e scioccanti rivelazioni di Tesla, non furono però capite allora, né dal mondo della scienza né da quello industriale, che preferirono definire le sue teorie delle mere "allucinazioni di un visionario". Forse solo oggi - anche se ancora con molte difficoltà - riusciamo a capire il significato profondo delle parole di questo scienziato, che cercava semplicemente di spiegare all’umanità che l’evoluzione della nostra civiltà sarebbe stata possibile solo grazie alla scienza, "libera e indipendente", che deve rispecchiare le esigenze dell’universo umano, e non di alcuni.

(tratto da http://etleboro.blogspot.com/)

Il (magico) tubo di Rubens.

2008-04-29T11:38:00.003+02:00

<< ...Nel 1922 nel laboratorio della National Electric Light di Cleveland nello stato dell'Ohio[715], Ernest Fox Nichols direttore di ricerca del laboratorio e il suo assistente James de Graff Tear ottennero con un oscillatore elettrico speciale di dimensioni ridottissime delle brevissime onde hertziane di 220 u, più corte delle radiazioni emesse dall'incandescenza di una lampada a mercurio-quarzo e ottenute alcuni anni prima da Heinrich Rubens e Otto von Baeyer[716].

In letteratura scientifica l'esperimento del 1922 viene citato come la prova definitiva della natura elettromagnetica della radiazione infrarossa. Una tale affermazione può risultare ambigua se non viene specificato che l'esperimento, lungi da essere un esperimento isolato[717], si inserisce invece in una intensa attività di ricerca degli elettromagntisti di fine Ottocento, i quali si proponevano non solo di controllare le conclusioni della teoria di Maxwell ma anche di verificare le modalità di propagazione delle onde elettromagnetiche a seconda delle varie bande di frequenze. La verifica della natura elettromagneticca del calore radiante non è che uno dei risultati di questa attività di ricerca, e non certamente l'unico e tantomeno il definitivo. L'esperimento del 1922 servì soprattutto a riempire la regione delle onde hertziane e delle onde infrarosse e ottenere finalmente un passaggio continuo dalla luce visibile alle onde elettromagnetiche. ...>> tratto da SULLA NATURA ELETTROMAGNETICA DEL CALORE RADIANTE UN ESPERIMENTO DEL 1922

Secondo appuntamento con Nikola Tesla.

2008-04-14T17:15:00.002+02:00

Video preso da un documentario sulla vita e i lavori dello scienziato serbo.

2008-04-01T11:35:00.003+02:00

GALILEO E IL PRINCIPIO DI RELATIVITA'
Nel suo "Dialoghi sui Massimi Sistemi" Galileo Galilei dà una descrizione molto chiara del cosiddetto "principio di relatività galileiana". Egli immagina uno sperimentatore, rinchiuso nella stiva di una nave, che esegue una serie d'osservazioni sulla caduta dei gravi. Galileo spiega, molto chiaramente, come in nessun modo sia possibile per quest'osservatore trarre alcun'indicazione sulla velocità del moto (uniforme) della nave mediante esperimenti che si svolgano esclusivamente nel suo interno. La formulazione galileiana originale è descrittiva e segna tuttavia l'ingresso nella fisica moderna del concetto di relatività: "E' impossibile mettere in evidenza il moto assoluto di un oggetto e si può solamente parlare di velocità relativa di due oggetti". Il principio di relatività è verificabile nella vita di tutti i giorni; seduti nello scompartimento di un treno che sta partendo dalla stazione, con un altro treno a fianco, facciamo fatica a capire se ci stiamo muovendo noi o l'altro treno. La relatività galileiana è in perfetto accordo con la meccanica di Newton e con la legge di gravitazione universale. Non è dunque possibile stabilire lo stato di moto assoluto misurando la forza gravitazionale tra corpi. Il mondo relativistico può essere codificato da un'infinità potenziale d'osservatori, detti inerziali, e in moto relativo uniforme. Nessuno di questi ha preminenza sugli altri e le leggi della fisica si scrivono nello stesso modo per tutti. Nella relatività ristretta non sono ammessi osservatori in moto non uniforme e sarebbe invero possibile avvertire il moto della nave con il mare mosso. L'esistenza d'osservatori inerziali è un fatto empirico e al momento non discende da alcun principio superiore. La relatività galileiana è rimasta in ottimo accordo con i dati osservativi, sino alla fine dell'Ottocento, e continua a essere usata con successo per trattare i fenomeni non relativistici, ossia quelli che si svolgono con velocità molto inferiori a quella della luce (c = 299.792,458 km/s). A velocità prossime a c - dette relativistiche - essa si rivela invalida e occorre usare la relatività einsteiniana.
Il principio di relatività galileiana afferma quindi l'assoluta equivalenza fisica di tutti i sistemi di riferimento inerziali: nessun esperimento eseguito all'interno di un dato sistema di riferimento può evidenziare il moto rettilineo ed uniforme dello stesso sistema, o, in altre parole, le leggi fisiche scoperte da sperimentatori che lavorino in laboratori in moto relativo rettilineo ed uniforme devono avere la stessa forma. Si tratta ora di ricavare le formule che legano le coordinate spazio temporali di uno stesso evento visto da due diversi riferimenti e di provare che le leggi della fisica sono invarianti, nella forma, al passaggio da un riferimento all'altro; si tratta cioè di tradurre in formule il contenuto di questo principio. Consideriamo allo scopo due riferimenti (cioè due sistemi di assi cartesiani ortogonali):

La relatività galileiana, perfettamente valida per spiegare la covarianza delle leggi di natura meccanica nel passaggio da un sistema inerziale all'altro, cade in difetto quando si prendano in considerazione fenomeni di natura elettromagnetica. Tali fenomeni sono riassunti, in termini qualitativi, dalle seguenti leggi:
1. Legge di Coulomb (il campo elettrico di una carica puntiforme);
2. Le linee del campo magnetico sono continue e non hanno inizio o fine;
3. Un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico (induzione elettromagnetica);
4. Un campo magnetico può essere prodotto sia da un flusso di corrente che da un campo elettrico variabile.
Ebbene, le equazioni che reggono tali fenomeni - equazioni di Maxwell (James Clerk Maxwell, 1831-1879) - non sono covarianti rispetto alle trasformazioni galileiane: se queste ultime fossero universalmente valide, un osservatore inerziale il quale esegua un esperimento di natura elettromagnetica, potrebbe accorgersi di essere in quiete o in moto rispetto a un altro osservatore inerziale, a seconda dell'esito di un esperimento analogo, condotto da questo secondo osservatore.

LA RELATIVITA’ EINSTENIANA
Le trasformazioni galileiane assicurano la covarianza delle leggi fisiche, al variare dei sistemi inerziali, solo per quanto riguarda i fenomeni meccanici, ma cadono in difetto quando si prendono in considerazione fenomeni di natura elettromagnetica. Si deve ad Albert Einstein (1879-1955) una notevole estensione delle formule di Galileo, che assicura la covarianza di tutte le leggi fisiche, al variare dei sistemi inerziali. Poniamo, le une accanto alle altre, le formule di Galileo e di Einstein, per esaminarne le somiglianze e le differenze. Ci riferiamo alla figura della Parte 1, supponendo, per semplicità, che il moto relativo dei due sistemi avvenga nella direzione dell'asse x, comune ai due.

Einstein
Galileo

Le formule in basso (trasformazioni galileiane), in cui le coordinate spaziali sono rigorosamente indipendenti da quelle temporali, implicano che i due osservatori, in moto l'uno rispetto all'altro, abbiano orologi sincroni. Le formule in alto (trasformazioni di Lorentz, assunte da Einstein), in cui le coordinate spaziali e quella temporale si implicano a vicenda, comportano che i due osservatori, in moto l'uno rispetto all'altro, abbiano orologi asincroni. Le trasformazioni di Lorentz danno risultati apprezzabili, ogni qual volta la velocità v con cui un sistema si muove rispetto all'altro, è paragonabile a quella c della luce - circa 300.000 Km al secondo - mentre, come è immediato osservare, se il rapporto è trascurabile, si riducono sostanzialmente a quelle di Galileo. La velocità della luce, e ogni altro fenomeno elettromagnetico, sono covarianti al variare dei sistemi inerziali, al pari delle leggi di natura meccanica, se si assumono come valide le trasformazioni di Lorentz.
Nel 1916, Einstein ha esteso il principio di relatività a tutti i sistemi di riferimento, anche non inerziali, mediante formule che assicurano la covarianza di tutte le leggi di natura, al variare degli osservatori (Relatività Generale). In particolare, ogni osservatore misura nel proprio spazio-tempo (generalmente di natura non euclidea), la distanza fra due eventi spazio-temporali, mediante una metrica, i cui coefficienti sono funzioni delle distribuzioni di materia-energia nello spazio stesso. Ciò comporta che lo spazio e il tempo non siano più, come per Newton, due contenitori vuoti, in cui trovano posto i fenomeni naturali, ma una costruzione degli stessi fenomeni (cfr. Cartesio). Gli effetti gravitazionali, come ad esempio le maree, trovano posto in questa splendida costruzione teorica, in cui conserva validità, con qualche correttivo, anche la formula di Newton. Ma c'è da osservare che tale formula, nel contesto della Relatività Generale, non esprime fantomatiche azioni a distanza, bensì moti spontanei o naturali, lungo le lineee di lunghezza minima (geodetiche) dello spazio-tempo. Secondo le suggestive parole di Max Jammer (contenute nella Storia del concetto di Spazio): "[...] la gravitazione non possiede, nella Relatività Generale, le caratteristiche di una forza, ma si riduce a una proprietà dello spazio-tempo. Il programma di Cartesio (ossia la geometrizzazione della fisica), è stato finalmente realizzato da Einstein". Si potrebbe aggiungere che la validità, in tale contesto, della formula gravitazionale di Newton, realizza anche, in qualche modo, una sintesi fra le idee cartesiane e quelle dello stesso Newton.

I Paradossi Relativistici

2008-04-01T10:57:00.005+02:00

“Paradossi” relativistici (Lorenzo Matteucci)
(Ovvero le Conseguenze dell’Invarianza di c)
I cosiddetti “paradossi relativistici” altro non sono che conseguenze dell’invarianza della velocità della luce. Il termine paradosso viene qui usato impropriamente, in quanto questi fenomeni non comportano alcuna contraddizione interna nelle leggi fisiche (la teoria relativistica è perfettamente consistente), ma solo una contraddizione con il senso comune.
L’intuizione, che nella Fisica Classica aveva costituito una solida guida nello studio dei fenomeni fisici, nella Fisica Relativistica (come pure nella Fisica Quantistica) viene a perdere questo ruolo, anzi diventa una pericolosa fonte di errori. Ciò dipende dal fatto che essa è il frutto di un processo mentale strettamente connesso alla nostra esperienza sensoriale, e pertanto la sua validità è confinata in tale ambito. La sua estrapolazione al di fuori dei confini sensoriali è illecita. D’altronde se noi fossimo degli esseri relativistici e potessimo spostarci a velocità prossime a quella della luce, fenomeni quali la dilatazione dei tempi o la relatività della simultaneità ci apparirebbero completamente normali (in quanto ne avremmo esperienza diretta) e verrebbero automaticamente incorporati nella nostra “intuizione relativistica”.

Paradossi relativistici tipici sono:

L' Invariazione delle Dimensioni Trasversali che rispetto alla dirzione del moto non vengono influnzate dal movimento;

Relatività della Simultaneità che dipende dallo stato di moto dell'osservatore;
Dilatazione dei Tempi che afferma che la durata degli intervalli dipende dallo stato di moto dll'osservatore;
Contrazione delle Lunghezze dipendente anch'essa dallo stato di moto dell'osservatore;
Il Paradosso dei Gemelli;

Fonti: www.arrigoamadori.com

Perchè effetto Tesla?!

2008-03-12T21:05:00.003+01:00

La vita del grande scienziato Serbo "dimenticato" vissuto a cavallo tra otto e novecento. L'uomo che ha illuminato il mondo con la corrente alternata e che ha reso possibili invenzioni rivoluzionarie come quella della radio viene ormai ricordato da pochi.

La vita di Nikola Tesla raccontata in questo splendido film ci illumina sulla realtà della scienza e della società nel suo complesso. Il suo arrivo negli Stati Uniti, il suo rapporto turbolento con Thomas Edison e quello con il grande capitalista J.P.Morgan, interpretato qui da uno straordinario Orson Welles.
L'ascesa verso la notorietà e l'inevitabile discesa verso l'oblio, Nikola Tesla e la sua vita sono specchio di quello che accade ancora oggi nel mondo.
Il destino del pianeta nel secolo scorso si è trovato davanti ad un bivio; scegliere tra la produzione di energia "distruttiva" tramite la distruzione di materiali e quella creativa pulita e LIBERA proposta da Tesla...: