Annus Mirabilis 1905

Il 2005 è stato l'anno dedicato alla Fisica, in quanto primo centenario del cosiddetto annus mirabilis 1905 in cui Albert Einstein pubblicò 4 fondamentali articoli sulla rivista Annalen der Physik.

Inquadriamo la situazione della Fisica all'epoca. Se si premette che alla Fisica prima della formulazione della Meccanica Quantistica, negli anni 20 del secolo scorso, ci si riferisce con la definizione di Fisica Classica, essa alla fine del XIX secolo comprendeva la meccanica newtoniana che tratta del moto dei corpi e dei sistemi di corpi materiali e del loro comportamento statico (equilibrio) e dinamico (risposta a sollecitazioni ed energia), l'elettromagnetismo o elettrodinamica, formalizzata da Maxwell e Lorentz, che tratta di fenomeni elettrici e magnetici come perturbazioni dell'ambiente (anche il vuoto), ossia una teoria basata su equazioni di campo, che inoltre descrive i fenomeni ottici e unifica nel concetto di luce tutto lo spettro elettromagnetico; infine la termodinamica e la calorimetria, che si occupano di come sia possibile trasformare calore in lavoro, di come l'energia si conservi se si considera il calore come una sua forma, dei gas perfetti come prototipo del mezzo in cui immagazzinare energia attraverso cicli di espansioni e compressioni. Di quest'ultima era stata appena formulata la variante statistica, secondo cui essendo la materia composta di unità indivisibili, il comportamento macroscopico (pressione, temperatura, volume, energia interna...) si ricavano come medie di grandezze (velocità, urti...) caratteristiche di queste entità microscopiche.

Restavano all'epoca una notevole quantità di quesiti irrisolti:

1. Perché se la velocità della luce, che si evince dalle equazioni di Maxwell non dipende dal sistema di riferimento, ossia perché qualunque osservatore misura la stessa velocità di un'onda elettromagnetica? Esiste un osservatore privilegiato?
2. Qual'è la struttura dell'atomo, se esiste?
3. Perché i calori specifici molari di molecole poliatomiche variano con la temperatura, cioè perché i gas o i liquidi immagazzinano più o meno calore al variare della temperatura?
4. Come si spiega l'effetto fotoelettrico, per cui l'assorbimento della luce da parte di un atomo è dipendente dalla lunghezza d'onda della radiazione, e non dalla sua intensità (quanto l'energia è concentrata)?
5. Come si spiega l'emissione dal corpo nero, cioè l'emissione termica dovuta al trasferimento di energia da calore a luce, che si concentra su un colore dipendente dalla temperatura?

I punti 1, 2, 3, 4, 5 furono in parte o totalmente spiegati da Einstein nel suo annus mirabilis.

Chi era questo giovane di 26 anni, che lavorava all'ufficio brevetti svizzero? Figlio di un commerciante di Ulm, aveva trascorso alcuni anni in Italia (una targa a Milano lo ricorda), era apolide, avendo rinunciato alla cittadinanza tedesca, era diplomato al Politecnico Federale di Zurigo, ETH. Non aveva contatti con fisici celebri né accesso a pubblicazioni recenti. Aveva indubbiamente una grande comprensione della realtà fisica, ed aveva sviluppato una grande abilità nella meccanica statistica.

Alcuni sostengono che i contributi che vennero pubblicati quell'anno siano frutto del lavoro congiunto con la prima moglie, Mileva Maric, serba. Comunque tali articoli, che hanno di fatto rivoluzionato la Fisica, sarebbero bastati a dare fama imperitura a chiunque, ciononostante Einstein continuò nella sua ricerca, apportando contributi di alto valore, fino alla dibattuta Relatività generale.

Chiaramente non è questo post inteso ad illustrare il contenuto di tali lavori, essendo al di fuori della portata dell'autore ed esistendo spiegazioni dettagliate in rete, ma di comprendere l'apporto rivoluzionario e la materia su cui sono incentrati.

1. "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt", ossia "Un punto di vista Euristico riguardo la Generazione e la Trasformazione della Luce". Il punto di partenza è la natura della luce, onda o particella? Planck aveva dovuto introdurre l'ipotesi che l'emissione dal corpo nero avvenisse in modo quantizzato, cioè la luce poteva assumere valori di energia solo secondo certi valori. Einstein ipotizza che questo sia parte della natura della radiazione in sé.
2. "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen", ossia "Il moto di piccole particelle sospese in un liquido come richiesto dalla Teorie Cinetica Molecolare del Calore", riguarda un fenomeno noto a tutti, il continuo movimento di particelle sospese in un fluido, la cui scoperta è attribuita al botanico Robert Brown (moto browniano), per le sue osservazioni di pollini in acqua. Questo non è un moto perpetuo, ma il risultato dei continui urti dovuti al fatto che il fluido è composto da molecole che si muovono in modo disordinato e incontrano da diverse direzioni le particelle più grandi, che noi riusciamo a osservare. La connessione fra i due fatti costituisce la prova indiretta dell'esistenza degli atomi.
   
3. "Zur Elektrodynamik bewegter Körper", ossia "L'elettrodinamica dei corpi in movimento", che sulla base dell'insuccesso dell'esperimento di Michelson e Morley, che non provava che la velocità della luce è dipendente dalla velocità dell'osservatore, postula la correttezza dell'elettrodinamica e della sua conseguenza, la costanza della velocità della luce (in sistemi inerziali, moti relativi uniformi): seppellendo l'ipotesi dell'etere ottiene i famosi paradossi (relatività della contemporaneità, contrazione dello spazio e dilatazione del tempo), che non sono tali, in quanto effetti verificabili. Tali conseguenze erano già ipotizzate da altri, ma la loro interpretazione era imputata alla struttura dei corpi e non al problema della misura di spazio e tempo in sistemi in moto relativo.
4. "Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?", ossia "L'inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto energetico?", in cui si introduce la celeberrima relazione E=mc^2, cioè esiste un contributo energetico dovuto alla massa stessa, a riposo (rispetto ad un qualunque sistema inerziale). O ancora, massa ed energia sono forme alternative dello stesso fenomeno: questo costituisce la base della possibilità di convertire una nell'altra e le reazioni di fissione nucleare ne sono un esempio.

Attenzione: i volumi con i contributi einsteiniani sono introvabili, anche in collezioni di riviste che si spingano a quell'anno fatidico.