lunedì 25 gennaio 2016

E=mc², massa ed energia sono equivalenti


E=mc², ma cosa significa veramente? Vediamo, attraverso un esempio semplice semplice, di provare a comprendere cosa ci dice la più famosa delle formule matematiche, scaturita dalla mente geniale di Einstein nell'ambito della sua teoria della relatività ristretta (1905). Talvolta gli argomenti di scienza ci sembrano cose astruse e lontane, concetti complicati e distanti, quasi fossero estranei al nostro vivere quotidiano. Una delle cose più difficili (e questo concetto vale in generale) è provare a spiegare in maniera semplice e comprensibile un argomento di per sé complicato, o comunque apparentemente tale. La cosa più difficile in assoluto è provare a spiegarlo e renderlo comprensibile senza alterarne il significato o senza banalizzarlo, dando l'impressione che tutto si può semplificare senza che siano necessari degli sforzi per comprendere le cose complesse (ricordate Gramsci? Cito solo la parte finale: "Occorrerà resistere alla tendenza di render facile ciò che non può esserlo senza essere snaturato"). Arriviamo a noi: E=mc², è un'equivalenza, una formula che ci dice semplicemente che energia e massa non sono due realtà fisiche distinte e separate, ma sono due grandezze equivalenti, cioè sono due facce della stessa medaglia, strettamente legate tra loro da un preciso valore numerico, il quadrato della velocità della luce nel vuoto (rappresentato, nella formula, da c² cioè c al quadrato, c dal latino celeritas ossia velocità). Ora arriviamo ad un esempio semplice semplice che ci aiuta a comprendere cosa significa tutto questo, evocando un'azione che compiamo tutti ogni giorno, almeno due volte al giorno (l'assunzione di cibo). Sappiamo bene che per sopravvivere dobbiamo mangiare, ma qual'è il motivo per cui, se smettiamo di farlo, andiamo incontro ad un esito fatale, la morte? Semplicemente perché, per il solo fatto di esistere, consumiamo energia, perdiamo energia attraverso il calore (la nostra temperatura corporea è di circa 36 gradi centigradi). Se non assumessimo cibo continueremmo a perdere energia sotto forma di calore. Ora, per il principio di equivalenza energia=massa sappiamo, e del resto possiamo verificarlo tranquillamente (basta mettersi a dieta) ed il concetto c'è chiaro fin quasi dalla nascita, che se perdiamo energia sotto forma di calore perdiamo anche massa, difatti se consumiamo più energia di quanta ne assumiamo col cibo "dimagriamo", cioè perdiamo peso e massa. Quindi cosa vogliamo dimostrare, o comprendere, attraverso tutte queste parole? Che una formula matematica apparentemente complicata come tutte le cose che hanno a che fare con la scienza, può essere più facilmente compresa semplicemente chiamando in causa una delle azioni che più frequentemente compiamo ogni giorno, nel caso specifico l'atto del mangiare. Attraverso il cibo assumiamo le risorse che, trasformate in energia grazie al metabolismo, consentono al nostro motore di continuare a girare per il periodo che ci è concesso di funzionare (l'età media, se non ricordo male si aggira intorno ai 78/79 anni, almeno qui in Italia). Questa energia la utilizziamo per compiere le azioni quotidiane e quindi per vivere, e la consumiamo attraverso il calore che emettiamo e che disperdiamo nell'ambiente (aumentando l'entropia dell'universo). Per reintegrarla assumiamo cibo (le famose calorie con le quali combattiamo per non ingrassare), che la nostra macchina/corpo provvede a trasformare in energia (massa=energia, massa del cibo trasformata in un certa quantità di energia) per mantenere in efficienza la macchina stessa evitando che essa si "spenga". E se si spegne? La macchina (il corpo) diventa fredda, non deve più convertire massa in energia da dissipare sotto forma di calore. È più semplice ora? Si è capito, almeno un po', cosa vuol dire E=mc² o comunque cosa vuol dire che massa ed energia sono equivalenti? Spero che Gramsci (e Einstein) non si stia rivoltando nella tomba. I concetti che dobbiamo tenere sempre a mente, e che sono alla base di qualsiasi fenomeno che avviene nella realtà che ci circonda, sono essenzialmente due: differenza di potenziale (energetico) e scambi (o trasferimenti) di energia. Tutto ruota attorno a questi due concetti. Rifletteteci, osservate i fenomeni che avvengono in natura, e riconduceteli ai concetti di cui sopra. Vedrete che nulla ne può prescindere.
Facciamo un altro esempio (giusto per ricollegarmi ad uno degli ambiti di cui mi occupo), l'incendio. Cosa fa l'incendio, le fiamme, il fuoco? Converte massa in energia. Il combustibile, ciò che brucia, trasforma la sua massa in energia, attraverso la produzione di calore (radiazione termica) e luce (onde elettromagnetiche). È un processo irreversibile, che è alla base dei concetti di entropia e freccia del tempo, legati al secondo principio della termodinamica. Non possiamo riconvertire l'energia prodotta sotto forma di calore (1), in massa. Cioè non possiamo recuperare il calore prodotto e riportarlo alla condizione precedente, quando era un combustibile ancora dotato di massa (non convertita in energia). È questo fenomeno che impedisce al tempo di scorrere al contrario. L'irreversibilità di alcuni fenomeni fisici determina la direzione (l'unica possibile, almeno nel nostro universo) verso cui è proiettato il tempo e che trascina il sistema (cioè l'universo stesso) verso uno stato di maggiore disordine, fino alla morte termica (quando la temperatura sarà uniforme in tutto l'universo non saranno più possibili scambi termici e di energia, e non vi si potrà più compiere lavoro).


NOTE:

(1) Inoltre l'energia termica non può mai essere completamente convertita in un'altra forma di energia (meccanica, elettrica), in quanto una parte di essa viene inevitabilmente dissipata sotto forma di calore, andando ad un aumentare il valore dell'entropia dell'universo. Per farlo bisognerebbe violare il secondo principio della termodinamica, il che è impossibile (si pensava che i buchi neri ci riuscissero, cioè gli oggetti più estremi dell'universo. Ma poi Hawking ha scoperto che nemmeno loro possono farlo, infatti emettono calore sotto forma di radiazione termica e quindi perdono energia, e di conseguenza, sempre per la nota equivalenza E=mc², anche massa, fino ad evaporare. Del resto non si può violare una legge naturale, che agisce allo stesso modo in ogni punto dell'universo. Potrebbero però esistere altri universi con leggi proprie, diverse rispetto a quelle che regolano il nostro.


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