Einstein

In breve

Nel 1905 Albert Einstein, ventiseienne impiegato di terza classe all’Ufficio federale dei brevetti di Berna, pubblica sulla rivista Annalen der Physik quattro articoli che cambiano la fisica: la spiegazione dell’effetto fotoelettrico tramite i quanti di luce, la prova statistica del moto browniano come conferma indiretta dell’esistenza degli atomi, la relatività ristretta, e l’equivalenza fra massa ed energia riassunta in E=mc². Nessuno di questi lavori nasce in un’università: Einstein li scrive nelle ore libere da un impiego tecnico, senza laboratorio e senza cattedra. Per questo il 1905 è ricordato come l’anno mirabilis della fisica del Novecento.

Contesto

Alla fine dell’Ottocento la fisica classica — meccanica newtoniana ed elettromagnetismo di Maxwell — sembrava a molti un edificio quasi finito, con poche crepe da sistemare. Due di quelle crepe si sarebbero rivelate profonde. La prima riguardava la radiazione del corpo nero: nel 1900 Max Planck aveva dovuto introdurre, per farla tornare con i dati, l’ipotesi che l’energia venisse scambiata in pacchetti discreti, i quanti, un’assunzione che lo stesso Planck trattava come un espediente matematico più che come una descrizione fisica reale. La seconda riguardava l’esistenza degli atomi, ancora contestata: fisici e chimici influenti come Wilhelm Ostwald ed Ernst Mach ritenevano gli atomi un’utile finzione di calcolo, non entità reali, mentre Ludwig Boltzmann ne difendeva la realtà fisica costruendoci sopra la meccanica statistica.

In questo quadro si inserisce la biografia di Einstein. Nato a Ulm nel 1879, cresciuto a Monaco e Milano, si era diplomato al Politecnico di Zurigo nel 1900 senza riuscire a trovare un posto da assistente universitario: i suoi voti erano buoni ma i rapporti con alcuni professori, in particolare Heinrich Weber, erano tesi. Dopo due anni di supplenze e ripetizioni private, nel 1902 ottenne un impiego come «esperto tecnico di terza classe» all’Ufficio federale dei brevetti di Berna, esaminando domande di brevetto — molte relative a dispositivi elettrici e alla sincronizzazione di orologi tramite segnali telegrafici, un tema non estraneo a ciò che avrebbe scritto tre anni dopo. Il lavoro, meno assorbente di una carriera accademica, gli lasciava tempo per pensare e per discutere di fisica con gli amici del circolo informale che chiamavano scherzosamente «Accademia Olimpia».

Svolgimento

Il 17 marzo 1905 Einstein consegna alla redazione di Annalen der Physik «Su un punto di vista euristico concernente la produzione e trasformazione della luce», dove propone che la luce si comporti, in certi fenomeni, come un insieme di quanti discreti di energia — non solo un’onda continua come voleva la teoria di Maxwell. L’ipotesi spiega perché nell’effetto fotoelettrico l’energia degli elettroni estratti da un metallo illuminato dipenda dalla frequenza della luce e non dalla sua intensità, cosa che l’elettromagnetismo classico non sapeva rendere conto. È il lavoro che lui stesso definisce, in una lettera all’amico Conrad Habicht, «molto rivoluzionario»; sarà quello per cui riceverà il Nobel nel 1921.

L’11 maggio 1905 consegna il secondo articolo, sul moto browniano: usando la teoria cinetica del calore, calcola matematicamente lo spostamento medio che particelle microscopiche sospese in un liquido dovrebbero mostrare a causa degli urti con le molecole d’acqua circostanti, offrendo così un modo per verificare sperimentalmente, e per la prima volta in modo quantitativo, l’esistenza reale degli atomi. Nello stesso periodo completa la tesi di dottorato, Una nuova determinazione delle dimensioni molecolari, discussa all’Università di Zurigo col fisico Alfred Kleiner e approvata a luglio.

Il 30 giugno 1905 consegna «Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento», il testo che introduce la relatività ristretta. Partendo da due soli postulati — la costanza della velocità della luce per ogni osservatore e l’equivalenza di tutti i sistemi di riferimento inerziali — Einstein deriva conseguenze che rovesciano l’intuizione comune: la simultaneità di due eventi non è assoluta ma dipende dall’osservatore, gli orologi in moto rallentano, le lunghezze nella direzione del moto si contraggono. La teoria rende superfluo l’etere luminifero, che generazioni di fisici avevano cercato invano di rilevare.

Il 27 settembre 1905, infine, consegna una breve nota di poche pagine, «L’inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto di energia?», dove mostra che dalla relatività ristretta discende necessariamente l’equivalenza fra massa ed energia, riassunta più tardi nella formula E=mc². Quattro articoli, pubblicati fra giugno e novembre dello stesso anno sulla stessa rivista, firmati da un impiegato senza affiliazione universitaria.

Conseguenze

Il riconoscimento immediato fu modesto: la comunità dei fisici, abituata a valutare i lavori in base alla reputazione istituzionale dell’autore, impiegò tempo a cogliere la portata di ciò che aveva letto. Il primo a prendere sul serio la relatività ristretta fu proprio Max Planck, che ne avviò la discussione nei circoli accademici tedeschi; nel 1908 il matematico Hermann Minkowski ne diede una riformulazione elegante nel linguaggio dello spaziotempo quadridimensionale, oggi ancora insegnato in quella forma. La carriera di Einstein accelerò di conseguenza: libero docente a Berna nel 1908, professore a Zurigo nel 1909, poi Praga, di nuovo Zurigo, e nel 1914 Berlino, dove poté dedicarsi a tempo pieno alla generalizzazione della teoria — la relatività generale del 1915 — che nasce come sviluppo diretto del lavoro del 1905.

Sul piano scientifico, ciascuno dei quattro articoli ebbe conseguenze autonome e di lungo periodo. L’ipotesi dei quanti di luce, inizialmente accolta con scetticismo perché in apparente contraddizione con le prove sperimentali della natura ondulatoria della luce, fu confermata dall’effetto Compton nel 1923 e divenne uno dei pilastri su cui Bohr, de Broglie e altri costruirono la meccanica quantistica; per questo lavoro, non per la relatività, arrivò il Nobel del 1921. La previsione sul moto browniano fu verificata sperimentalmente fra il 1908 e il 1909 dal fisico francese Jean Perrin, i cui esperimenti misero fine al dibattito ottocentesco sulla realtà degli atomi — un contributo per cui Perrin ricevette a sua volta il Nobel nel 1926. La relatività ristretta e l’equivalenza massa-energia divennero il fondamento teorico della fisica nucleare del secolo successivo e, molto più tardi, di tecnologie quotidiane come le correzioni relativistiche necessarie al funzionamento dei satelliti GPS.

Nel frattempo altrove

• 1885Il Congresso nazionale indiano — Asia meridionale
• 1896Adua — Africa
• 1901La federazione australiana — Oceania
• 1903Il volo — Americhe
• 1908La catena di montaggio — Americhe
• 1911Cade l'impero cinese — Asia orientale
• 1923Dopo gli ottomani — Medio Oriente

Come lo sappiamo

I quattro articoli originali sono conservati nelle annate 1905 di Annalen der Physik e digitalizzati; i manoscritti superstiti, la corrispondenza con amici come Conrad Habicht e Michele Besso e i documenti dell’impiego bernese sono raccolti e pubblicati dall’Einstein Papers Project, il progetto editoriale che dagli anni Ottanta cura l’edizione critica di tutte le carte di Einstein e ne ha fissato datazioni e testi. Le domande di brevetto che esaminava e il suo fascicolo di impiego sono conservati negli archivi svizzeri.

Restano dibattuti alcuni punti. Quanto Einstein conoscesse in dettaglio l’esperimento di Michelson e Morley, che aveva cercato invano di rilevare il moto della Terra rispetto all’etere, quando scrisse l’articolo sulla relatività, è discusso dagli storici della scienza: nei suoi ricordi tardivi le versioni non sono sempre coerenti. È discusso anche quanto la sua soluzione fosse originale rispetto ai risultati matematici già raggiunti, per strade diverse, da Hendrik Lorentz e da Henri Poincaré negli anni immediatamente precedenti: Einstein arriva a formule in parte simili, ma da un impianto concettuale nuovo, fondato sui postulati fisici invece che su un aggiustamento delle equazioni; storici come Olivier Darrigol hanno insistito su questa distinzione. Discusso, e privo di prove documentarie dirette, è anche quanto la prima moglie di Einstein, Mileva Marić, abbia collaborato alla stesura dei lavori del 1905: la corrispondenza mostra un sostegno e un coinvolgimento intellettuale, ma nessun manoscritto o testimonianza contemporanea le attribuisce una paternità scientifica sugli articoli.

Approfondimenti

• Abraham Pais, Subtle Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein (1982) — la biografia scientifica di riferimento, scritta da un fisico che conobbe Einstein.
• Walter Isaacson, Einstein: His Life and Universe (2007) — biografia divulgativa completa, buona sul contesto personale.
• John Stachel (a cura di), Einstein’s Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face of Physics (1998) — i testi originali dei lavori del 1905 con introduzione critica.
• Albrecht Fölsing, Albert Einstein: A Biography (1997) — biografia basata su fonti d’archivio poco note, forte sul periodo di Berna.