Il 27 settembre 1905 Albert Einstein pubblicò un articolo sulla rivista Annalen der Physik, con il titolo Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?, ovvero “La massa inerziale di un corpo dipende dalla sua energia?”. Questo articolo era destinato a cambiare radicalmente la concezione dello spaziotempo degli scienziati dell’epoca: in esso, infatti, Einstein presentò per la prima volta la celebre equazione E=mc², una delle formule più iconiche e importanti nella storia della scienza.

Nell’articolo, Einstein esaminava le implicazioni della teoria della relatività ristretta, che aveva sviluppato quell’anno. La formula E=mc² rappresenta l’equivalenza tra massa e energia. In altre parole, essa suggerisce che la massa di un oggetto è direttamente proporzionale alla sua energia. Questo concetto rivoluzionario implicava che la massa poteva essere convertita completamente in energia, e viceversa.

Einstein dimostrò che la teoria newtoniana della meccanica doveva essere riveduta e ampliata, per tener conto di questi nuovi concetti. Una scoperta che non fu accettata facilmente dalla comunità scientifica, ma che dopo le prime corrispondenze sperimentali, cambiò per sempre la comprensione del mondo fisico. E aprì la strada a sviluppi significativi nella fisica teorica, nell’applicazione pratica dell’equazione nella produzione di energia nucleare ed energia atomica, e nella comprensione della struttura dell’Universo.

Da dove arrivò l’illuminazione?

Einstein dedusse l’equazione E=mc² attraverso un ragionamento basato su una serie di principi fondamentali della teoria della relatività ristretta, che aveva sviluppato nel 1905. Questa teoria rivoluzionaria si basava su due assiomi principali:

1. Il principio della relatività. Einstein postulò che le leggi della fisica sono le stesse per tutti gli osservatori in moto uniforme, indipendentemente dalla loro velocità. Questo significa che non esiste un sistema di riferimento privilegiato e che le leggi fisiche devono essere coerenti in tutti i contesti.

2. La costanza della velocità della luce. Einstein propose che la velocità della luce nel vuoto (c) è costante e indipendente dalla velocità dell’osservatore. Questo era in contrasto con la concezione newtoniana dello spazio e del tempo, in cui si assumeva che la luce viaggiasse con velocità infinita rispetto a un osservatore in movimento.

Partendo da questi due assiomi, Einstein iniziò a esaminare le trasformazioni di Lorentz, che descrivono come le grandezze fisiche, come il tempo e la lunghezza, si modificano quando si passa da un sistema di riferimento inerziale all’altro. Durante questo processo, lo scienziato si rese conto che l’energia (E) di un sistema fisico e la sua massa (m) dovevano essere in qualche modo interconnesse per soddisfare la costanza della velocità della luce.

Einstein dimostrò che l’energia di un corpo in movimento doveva includere una contribuzione legata alla sua massa. Questo veniva perfettamente riassunto dalla formula E=mc², dove c rappresenta la velocità della luce.

Perché quest’equazione è così importante?

L’equazione E=mc² è di fondamentale importanza per la comprensione del cosmo, della sua struttura e delle leggi che lo governano, perché sottolinea una connessione profonda tra materia ed energia, che di fatto sono tutto ciò che costituisce l’Universo.

Innanzitutto, il concetto espresso dalla formula è alla base della comprensione di come l’Universo si sia formato dopo il Big Bang. Durante quest’evento infatti, enormi quantità di energia si sono convertite in materia, creando protoni, neutroni ed elettroni, che alla fine hanno formato gli atomi e, in seguito, le stelle e le galassie.

Nella fisica delle particelle invece, l’equazione è cruciale per comprendere il comportamento delle particelle subatomiche. E=mc² spiega come la massa di una particella possa essere convertita in energia (e viceversa), permettendo la comprensione delle reazioni nucleari e della creazione di particelle in acceleratori di particelle. Ma anche della fissione nucleare, utilizzata nelle centrali e nelle armi nucleari. La conversione di piccole quantità di massa in enormi quantità di energia è il principio fondamentale di tali processi.

In ambito cosmologico invece, l’equazione contribuisce alla teoria dell’energia oscura, una misteriosa forma di energia che sembra guidare l’espansione accelerata dell’Universo. Questa equazione sottolinea come energia e massa siano intrinsecamente legate, influenzando la struttura e l’evoluzione dell’Universo stesso.

Ma non tutti accettarono subito la teoria di Einstein…

Quando Einstein pubblicò il suo articolo quel giorno di fine settembre del 1905, il concetto da lui espresso non fu immediatamente accettato da tutti gli scienziati, in particolar modo per le sue implicazioni. Quella teoria rappresentava una sfida significativa alle concezioni tradizionali della fisica, e molti scienziati erano scettici o cauti nell’accettare queste idee innovative.

Il concetto più controverso all’epoca era la costanza della velocità della luce nel vuoto, come postulato dalla teoria della relatività. Questa idea era in netto contrasto con la fisica classica di Newton, che considerava lo spazio e il tempo come entità assolute e la velocità della luce come influenzata dal movimento dell’osservatore.

La teoria di Einstein sostituì queste concezioni con un nuovo quadro in cui lo spazio e il tempo erano relativi e la velocità della luce rimaneva costante. Ci vollero anni di esperimenti e osservazioni prima che le idee di Einstein fossero ampiamente accettate dalla comunità scientifica.

Tra i primi sostenitori della teoria della relatività ristretta ci fu il fisico Max Planck, che notò la validità delle previsioni di Einstein riguardo all’effetto fotoelettrico. Tuttavia, fu solo nel corso degli anni successivi, quando altre conferme sperimentali cominciarono a emergere, che la teoria di Einstein guadagnò gradualmente accettazione. E ora, anche se ancora molto resta da capire, è uno dei fondamenti più importanti alla base della fisica e dell’astrofisica moderne.