Albert Einstein

La prima vita

Einstein nacque a Ulm, Württemberg, Germania, il 14 marzo 1879. La sua famiglia era ebrea, ma non era molto religiosa. Più tardi, però, Einstein si interessò molto al suo ebraismo. Einstein iniziò a parlare solo all'età di 2 anni. Secondo la sorella minore, Maja, "Aveva così tante difficoltà con il linguaggio che chi lo circondava temeva che non avrebbe mai imparato". Quando Einstein aveva circa 4 anni, suo padre gli regalò una bussola magnetica. Si sforzò di capire come l'ago potesse sembrare che si muovesse da solo, in modo che puntasse sempre verso nord. L'ago era in una custodia chiusa, quindi chiaramente niente di simile al vento poteva spingere l'ago, eppure si muoveva. In questo modo Einstein si interessò allo studio delle scienze e della matematica. La sua bussola gli diede idee per esplorare il mondo della scienza.

Quando è diventato più grande, è andato in una scuola in Svizzera. Dopo il diploma, ha trovato lavoro presso l'ufficio brevetti. Mentre lavorava lì, scrisse i documenti che lo resero famoso come grande scienziato.

Einstein si sposò con una donna serba di 20 anni, Mileva Marić, nel gennaio 1903.

Nel 1917, Einstein si ammalò gravemente di una malattia che quasi lo uccise. Sua cugina Elsa Löwenthal lo curò fino alla guarigione. Dopo questo avvenimento, Einstein divorziò da Mileva il 14 febbraio 1919 e sposò Elsa il 2 giugno 1919.

Bambini

La prima figlia di Einstein fu "Lieserl" (nessuno conosce il suo vero nome). Nacque a Novi Sad, in Vojvodina, in Austria-Ungheria, nei primi mesi del 1902. Ha trascorso la sua brevissima vita (che si credeva fosse meno di 2 anni) nelle cure dei nonni serbi. Si ritiene che sia morta di scarlattina. Alcuni credono che possa essere nata con il disturbo chiamato sindrome di Down, anche se non si è mai verificato. Nessuno sapeva della sua esistenza fino al 1986, quando la nipote di Einstein scoprì una scatola di scarpe contenente 54 lettere d'amore (la maggior parte delle quali di Einstein), scambiate tra Mileva ed Einstein dal 1897 al settembre 1903.

I due figli di Einstein erano Hans Albert Einstein e Eduard Tete Einstein. Hans è nato a Berna, Svizzera, nel maggio 1904 e Eduard è nato a Zurigo, Svizzera, nel luglio 1910. Eduard morì a 55 anni a causa di un ictus in un ospedale psichiatrico universitario di Zurigo. Aveva trascorso la sua vita dentro e fuori dai manicomi a causa della sua schizofrenia.

Vita più tardiva

Poco prima dell'inizio della prima guerra mondiale, tornò in Germania, dove divenne direttore di una scuola. Ha vissuto a Berlino fino all'avvento del governo nazista. I nazisti odiavano le persone che erano ebree o che provenivano da famiglie ebree. Accusarono Einstein di aver contribuito a creare la "fisica ebraica", e i fisici tedeschi cercarono di dimostrare che le sue teorie erano sbagliate.

Nel 1933, sotto le minacce di morte dei nazisti e odiato dalla stampa tedesca controllata dai nazisti, Einstein ed Elsa si trasferirono a Princeton, nel New Jersey, negli Stati Uniti, e nel 1940 divenne cittadino americano.

Durante la Seconda Guerra Mondiale, Einstein e Leó Szilárd scrissero al presidente degli Stati Uniti, Franklin D. Roosevelt, per dire che gli Stati Uniti avrebbero dovuto inventare una bomba atomica in modo che il governo nazista non potesse batterli sul tempo. Fu l'unico a firmare la lettera. Tuttavia, non faceva parte del Progetto Manhattan, che è stato il progetto che ha creato la bomba atomica.

Einstein, un ebreo ma non cittadino israeliano, ricevette l'offerta di presidenza nel 1952, ma la rifiutò, dichiarando: "Sono profondamente commosso dall'offerta del nostro Stato di Israele, e al tempo stesso rattristato e vergognato di non poterla accettare. "Ehud Olmert avrebbe preso in considerazione di offrire la presidenza a un altro non israeliano, Elie Wiesel, ma si diceva che non fosse "molto interessato".

Ha insegnato fisica all'Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, fino alla morte, avvenuta il 18 aprile 1955, di un aneurisma aortico scoppiato. Scriveva ancora di fisica quantistica ore prima di morire. È stato insignito del Premio Nobel per la Fisica.

La teoria della relatività speciale fu pubblicata da Einstein nel 1905, nell'articolo sull'elettrodinamica dei corpi in movimento. Dice che sia le misurazioni della distanza che quelle del tempo cambiano vicino alla velocità della luce. Ciò significa che man mano che ci si avvicina alla velocità della luce (quasi 300.000 chilometri al secondo), le lunghezze sembrano accorciarsi e gli orologi ticchettano più lentamente. Einstein diceva che la relatività speciale si basa su due idee. La prima è che le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori che non si muovono in relazione tra loro.

Si dice che le cose che vanno nella stessa direzione alla stessa velocità si trovano in un "telaio inerziale".

Le persone nella stessa "cornice" misurano quanto tempo ci vuole perché qualcosa accada. I loro orologi tengono lo stesso tempo. Ma in un altro "frame" i loro orologi si muovono a un ritmo diverso. La ragione per cui questo accade è la seguente. Non importa come si muove un osservatore, se misura la velocità della luce proveniente da quella stella sarà sempre lo stesso numero.

Immaginate che un astronauta sia tutto solo in un universo diverso. Ha solo un astronauta e un'astronave. Si muove? È fermo? Queste domande non significano nulla. Perché? Perché quando diciamo che ci stiamo muovendo, intendiamo dire che possiamo misurare la nostra distanza da qualcos'altro in vari momenti. Se i numeri diventano più grandi ci stiamo allontanando. Se i numeri diventano più piccoli ci avviciniamo. Per avere movimento bisogna avere almeno due cose. Un aereo può muoversi a diverse centinaia di chilometri all'ora, ma i passeggeri dicono: "Sto solo seduto qui".

Supponiamo che alcune persone siano su un'astronave e vogliano fare un orologio preciso. Da un lato mettono uno specchio e dall'altro una semplice macchina. Questa spara una breve raffica di luce verso lo specchio e poi aspetta. La luce colpisce lo specchio e rimbalza indietro. Quando colpisce un rivelatore di luce sulla macchina, la macchina dice: "Conta = 1", contemporaneamente spara un'altra breve raffica di luce verso lo specchio, e quando quella luce torna indietro la macchina dice: "Conta = 2". Decidono che un certo numero di rimbalzi sarà definito come un secondo, e fanno cambiare alla macchina il contatore dei secondi ogni volta che ha rilevato quel numero di rimbalzi. Ogni volta che cambia il contatore dei secondi fa anche lampeggiare una luce attraverso un oblò sotto la macchina. Così qualcuno all'esterno può vedere la luce lampeggiare ogni secondo.

Ogni bambino delle elementari impara la formula d=rt (la distanza è uguale al tasso moltiplicato per il tempo). Conosciamo la velocità della luce, e possiamo facilmente misurare la distanza tra la macchina e lo specchio e il multiplo che per dare la distanza percorsa dalla luce. Così abbiamo sia d che r, e possiamo facilmente calcolare t. Le persone sull'astronave confrontano il loro nuovo "orologio di luce" con i loro vari orologi da polso e altri orologi, e sono soddisfatte di poter misurare bene il tempo usando il loro nuovo orologio di luce.

Ora questa astronave va molto veloce. Vedono un flash dall'orologio dell'astronave, e poi vedono un altro flash. Solo che i flash non si allontanano di un secondo. Arrivano ad un ritmo più lento. La luce va sempre alla stessa velocità, d = rt. Ecco perché l'orologio dell'astronave non lampeggia una volta al secondo per l'osservatore esterno.

La relatività speciale mette in relazione anche l'energia con la massa, nella formula E=mc2 di Albert Einstein.

E=mc2, detta anche equivalenza di massa-energia, è una delle cose per cui Einstein è più famoso. È una famosa equazione in fisica e in matematica che mostra cosa succede quando la massa si trasforma in energia o l'energia si trasforma in massa. La "E" nell'equazione sta per energia. L'energia è un numero che si dà agli oggetti a seconda di quanto possono cambiare altre cose. Per esempio, un mattone appeso sopra un uovo può mettere abbastanza energia sull'uovo per romperlo. Una piuma appesa sopra un uovo non ha abbastanza energia per danneggiare l'uovo.

Ci sono tre forme fondamentali di energia: l'energia potenziale, l'energia cinetica e l'energia di riposo. Due di queste forme di energia si possono vedere negli esempi sopra riportati e nell'esempio di un pendolo.

Una palla di cannone è appesa a una corda da un anello di ferro. Un cavallo tira la palla di cannone sul lato destro. Quando la palla di cannone viene rilasciata si muove avanti e indietro come da diagramma. Lo farà per sempre, tranne per il fatto che il movimento della corda nell'anello e lo sfregamento in altri punti provoca attrito, e l'attrito porta via un po' di energia per tutto il tempo. Se ignoriamo le perdite dovute all'attrito, allora l'energia fornita dal cavallo viene data alla palla di cannone come energia potenziale. (Ha energia perché è in alto e può cadere giù.) Quando la palla di cannone oscilla verso il basso guadagna sempre più velocità, quindi più si avvicina al fondo e più velocemente va avanti, e più forte ti colpirebbe se ti mettessi di fronte ad essa. Poi rallenta mentre la sua energia cinetica si trasforma di nuovo in energia potenziale. "Energia cinetica" significa semplicemente l'energia che qualcosa ha perché si sta muovendo. "Energia potenziale" significa solo l'energia che qualcosa ha perché si trova in una posizione superiore a quella di qualcos'altro.

Quando l'energia si sposta da una forma all'altra, la quantità di energia rimane sempre la stessa. Non può essere fatta o distrutta. Questa regola è chiamata "legge di conservazione dell'energia". Per esempio, quando si lancia una palla, l'energia viene trasferita dalla mano alla palla mentre la si rilascia. Ma l'energia che era nella tua mano, e ora l'energia che è nella palla, è lo stesso numero. Per molto tempo, la gente ha pensato che la conservazione dell'energia fosse l'unica cosa di cui si potesse parlare.

Quando l'energia si trasforma in massa, la quantità di energia non rimane la stessa. Quando la massa si trasforma in energia, anche la quantità di energia non rimane la stessa. Tuttavia, la quantità di materia e di energia rimane la stessa. L'energia si trasforma in massa e la massa si trasforma in energia in un modo che è definito dall'equazione di Einstein, E = mc2.

La "m" nell'equazione di Einstein sta per massa. La massa è la quantità di materia che c'è in un corpo. Se si conoscesse il numero di protoni e neutroni in un pezzo di materia come un mattone, allora si potrebbe calcolare la sua massa totale come la somma delle masse di tutti i protoni e di tutti i neutroni. (Gli elettroni sono così piccoli che sono quasi trascurabili.) Le masse si tirano l'una sull'altra, e una massa molto grande come quella della Terra tira molto forte sulle cose vicine. Si peserebbe molto di più su Giove che sulla Terra perché Giove è così enorme. Sulla Luna pesereste molto meno perché è solo un sesto circa della massa della Terra. Il peso è legato alla massa del mattone (o della persona) e alla massa di qualsiasi cosa lo stia tirando giù su una bilancia a molla - che può essere più piccola della più piccola luna del sistema solare o più grande del Sole.

La massa, non il peso, può essere trasformata in energia. Un altro modo di esprimere questa idea è dire che la materia può essere trasformata in energia. Le unità di massa sono usate per misurare la quantità di materia in qualcosa. La massa o la quantità di materia in qualcosa determina in quanta energia quella cosa può essere trasformata.

L'energia può anche essere trasformata in massa. Se si spingeva un passeggino a passo lento e lo si trovava facile da spingere, ma lo si spingeva a passo veloce e lo si trovava più difficile da muovere, allora ci si chiedeva cosa ci fosse di sbagliato nel passeggino. Se poi si cercava di correre e si scopriva che spostare il passeggino a qualsiasi velocità più veloce era come spingere contro un muro di mattoni, si rimaneva molto sorpresi. La verità è che quando qualcosa si muove, la sua massa aumenta. Gli esseri umani di solito non si accorgono di questo aumento di massa, perché alla velocità con cui gli esseri umani di solito spostano l'aumento di massa in quasi nulla.

Man mano che le velocità si avvicinano alla velocità della luce, i cambiamenti di massa diventano impossibili da non notare. L'esperienza di base che tutti noi condividiamo nella vita quotidiana è che più spingiamo forte qualcosa come un'auto, più velocemente riusciamo a farla partire. Ma quando qualcosa che spingiamo sta già andando a gran parte della velocità della luce, scopriamo che continua ad aumentare la massa, quindi diventa sempre più difficile farlo andare più veloce. È impossibile far andare qualsiasi massa alla velocità della luce perché per farlo ci vorrebbe un'energia infinita.

A volte una massa si trasforma in energia. Esempi comuni di elementi che fanno questi cambiamenti che chiamiamo radioattività sono il radio e l'uranio. Un atomo di uranio può perdere una particella alfa (il nucleo atomico dell'elio) e diventare un nuovo elemento con un nucleo più leggero. Allora quell'atomo emetterà due elettroni, ma non sarà ancora stabile. Emetterà una serie di particelle alfa ed elettroni fino a diventare finalmente l'elemento Pb o quello che chiamiamo piombo. Gettando via tutte queste particelle che hanno massa ha reso la propria massa più piccola. Ha anche prodotto energia.

Nella maggior parte della radioattività, l'intera massa di qualcosa non si trasforma in energia. In una bomba atomica, l'uranio si trasforma in krypton e bario. C'è una leggera differenza tra la massa del krypton e del bario che ne risulta e la massa dell'uranio originale, ma l'energia che viene rilasciata dal cambiamento è enorme. Un modo per esprimere questa idea è scrivere l'equazione di Einstein come:

E = (_muranio - mkrypton _{e bario}) c2

La c2 nell'equazione sta per la velocità della luce al quadrato. Quadrare qualcosa significa moltiplicarla per se stessa, quindi se si dovesse quadrare la velocità della luce, sarebbe 299.792.458 metri al secondo, per 299.792.458 metri al secondo, che è approssimativamente
(3-108)² = (9-1016 metri2)/secondi2=90.
000.000.000.000.000.000.000 metri2/secondi2Quindi l
'energia prodotta da un chilogrammo sarebbe:
E = 1 kg - 90.000.000.000.000.000.000.000 metri2/secondo2E
= 90.000.000.000.000.000.000 kg metri2/secondo2oE
= 90.000.000.000.000.000.000 joulesor
E = 90.000 terajoule

Circa 60 terajoule sono stati rilasciati dalla bomba atomica esplosa sopra Hiroshima. Quindi circa due terzi di un grammo della massa radioattiva di quella bomba atomica devono essere andati perduti (trasformati in energia), quando l'uranio si è trasformato in krypton e bario.

L'idea di un condensato di Bose-Einstein è nata dalla collaborazione tra S. N. Bose e il Prof. Einstein. Lo stesso Einstein non l'ha inventato, ma ha raffinato l'idea e l'ha aiutato a diventare popolare.

Il concetto di energia a punto zero è stato sviluppato in Germania da Albert Einstein e Otto Stern nel 1913.

Nella fisica classica, lo slancio si spiega con l'equazione:

p = mv

dove

p rappresenta lo slancio

m rappresenta la massa

v rappresenta la velocità (velocità)

Quando Einstein generalizzò la fisica classica per includere l'aumento di massa dovuto alla velocità della materia in movimento, arrivò ad un'equazione che prevedeva che l'energia fosse composta da due componenti. Una componente coinvolge la "massa a riposo" e l'altra la quantità di moto, ma la quantità di moto non è definita nel modo classico. L'equazione ha tipicamente valori maggiori di zero per entrambe le componenti:

E2 = (m0c2)² + (pc)²

dove

E rappresenta l'energia di una particella

m0 rappresenta la massa della particella quando non è in movimento

p rappresenta la quantità di moto della particella quando si muove

c rappresenta la velocità della luce.

Ci sono due casi speciali di questa equazione.

Un fotone non ha massa di riposo, ma ha slancio. (La luce riflessa da uno specchio spinge lo specchio con una forza misurabile). Nel caso di un fotone, perché il suo m0 = 0, quindi:

E2 = 0 + (pc)²

E = pc

p = E/c

L'energia di un fotone può essere calcolata dalla sua frequenza ν o lunghezza d'onda λ. Queste sono messe in relazione tra loro dalla relazione di Planck, E = hν = hc/λ, dove h è la costante di Planck (6,626×10-34 joule-secondi). Conoscendo la frequenza o la lunghezza d'onda, si può calcolare la quantità di moto del fotone.

Nel caso di particelle immobili con massa, da p = 0, allora:

E02 = (m0c2)² + 0

che è solo

E0 = m0c2

Pertanto, la quantità "m0" usata nell'equazione di Einstein è talvolta chiamata "massa a riposo". (Lo "0" ci ricorda che stiamo parlando dell'energia e della massa quando la velocità è 0). Questa famosa formula della "relazione massa-energia" (di solito scritta senza gli "0") suggerisce che la massa ha una grande quantità di energia, quindi forse potremmo convertire una certa massa in una forma di energia più utile. L'industria dell'energia nucleare si basa su questa idea.

Einstein disse che non era una buona idea usare la formula classica relativa alla quantità di moto in relazione alla velocità, p = mv, ma che se qualcuno avesse voluto farlo, avrebbe dovuto usare una massa di particelle m che cambia con la velocità:

mv2 = m02 / (1 - v2/c2)

In questo caso, possiamo dire che E = mc2 vale anche per le particelle in movimento.

La Teoria generale della relatività è stata pubblicata nel 1915, dieci anni dopo la creazione della teoria speciale della relatività. La teoria generale della relatività di Einstein utilizza l'idea dello spazio-tempo. Lo spazio-tempo è il fatto che abbiamo un universo quadridimensionale, con tre dimensioni spaziali (spazio) e una dimensione temporale (tempo). Qualsiasi evento fisico avviene in qualche luogo all'interno di queste tre dimensioni spaziali e in qualche momento nel tempo. Secondo la teoria generale della relatività, qualsiasi massa fa sì che lo spazio-tempo si curvi, e qualsiasi altra massa segue queste curve. Una massa più grande provoca una maggiore curvatura. Questo era un nuovo modo di spiegare la gravitazione (gravità).

La relatività generale spiega la lente gravitazionale, che è la flessione della luce quando si avvicina a un oggetto massiccio. Questa spiegazione si è dimostrata corretta durante un'eclissi solare, quando la flessione della luce solare da stelle lontane poteva essere misurata a causa dell'oscurità dell'eclissi.

La relatività generale ha anche posto le basi della cosmologia (teorie sulla struttura del nostro universo a grandi distanze e per lunghi periodi). Einstein pensava che l'universo potesse curvare un po' sia nello spazio che nel tempo, in modo che l'universo fosse sempre esistito e sempre esisterà, e che se un oggetto si muovesse attraverso l'universo senza urtare nulla, tornerebbe al suo punto di partenza, dall'altra direzione, dopo un tempo molto lungo. Ha persino cambiato le sue equazioni per includere una "costante cosmologica", per consentire un modello matematico di un universo immutabile. La teoria generale della relatività permette anche che l'universo si diffonda (diventi più grande e meno denso) per sempre, e la maggior parte degli scienziati pensa che l'astronomia abbia dimostrato che questo è ciò che accade. Quando Einstein si rese conto che buoni modelli dell'universo erano possibili anche senza la costante cosmologica, chiamò il suo uso della costante cosmologica il suo "più grande errore", e quella costante è spesso lasciata fuori dalla teoria. Tuttavia, molti scienziati ora credono che la costante cosmologica sia necessaria per adattarsi a tutto ciò che ora conosciamo dell'universo.

Una teoria popolare della cosmologia si chiama Big Bang. Secondo la teoria del Big Bang, l'universo si è formato 15 miliardi di anni fa, in quella che viene chiamata "singolarità gravitazionale". Questa singolarità era piccola, densa e molto calda. Secondo questa teoria, tutta la materia che conosciamo oggi è uscita da questo punto.

Lo stesso Einstein non aveva l'idea di un "buco nero", ma in seguito gli scienziati hanno usato questo nome per un oggetto nell'universo che piega lo spazio-tempo così tanto che nemmeno la luce può sfuggirgli. Pensano che questi oggetti ultra-densi si formino quando muoiono stelle giganti, almeno tre volte più grandi del nostro sole. Questo evento può seguire quella che viene chiamata supernova. La formazione di buchi neri può essere una delle principali fonti di onde gravitazionali, quindi la ricerca di prove di onde gravitazionali è diventata un'importante ricerca scientifica.

Molti scienziati si preoccupano solo del loro lavoro, ma Einstein parlava e scriveva spesso anche di politica e di pace nel mondo. Gli piacevano le idee del socialismo e di avere un solo governo per il mondo intero. Lavorava anche per il sionismo, lo sforzo di cercare di creare il nuovo Paese di Israele.

La famiglia di Einstein era ebrea, ma Einstein non ha mai praticato seriamente questa religione. Gli piacevano le idee del filosofo ebreo Baruch Spinoza e pensava anche che il buddismo fosse una buona religione. ^[]

Anche se Einstein pensava a molte idee che aiutavano gli scienziati a capire il mondo molto meglio, non era d'accordo con alcune teorie scientifiche che piacevano ad altri scienziati. La teoria della meccanica quantistica discute cose che possono accadere solo con certe probabilità, che non possono essere previste con maggiore precisione, non importa quante informazioni possiamo avere. Questa ricerca teorica è diversa dalla meccanica statistica, in cui Einstein ha svolto un lavoro importante. A Einstein non piaceva la parte della teoria quantistica che negava qualcosa di più della probabilità che qualcosa fosse vero quando veniva effettivamente misurato; pensava che dovrebbe essere possibile predire qualsiasi cosa, se abbiamo la teoria corretta e abbastanza informazioni. Una volta disse: "Non credo che Dio giochi a dadi con l'Universo".

Poiché Einstein ha aiutato così tanto la scienza, il suo nome è ora usato per diverse cose. Un'unità usata in fotochimica ha preso il suo nome. È uguale al numero di Avogadro moltiplicato per l'energia di un fotone di luce. Anche l'elemento chimico Einsteinio prende il nome dallo scienziato. In gergo, a volte chiamiamo "Einstein" una persona molto intelligente.

La maggior parte degli scienziati pensa che le teorie di Einstein sulla relatività speciale e generale funzionino molto bene, e usano queste idee e formule nel loro lavoro. Einstein non era d'accordo sul fatto che i fenomeni della meccanica quantistica possono verificarsi per puro caso. Credeva che tutti i fenomeni naturali abbiano spiegazioni che non includono il puro caso. Ha trascorso gran parte della sua vita successiva cercando di trovare una "teoria dei campi unificata" che includesse la sua teoria della relatività generale, la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell e forse una migliore teoria quantistica. La maggior parte degli scienziati non pensa che sia riuscito in questo tentativo.