Corso di storia della scienza: 12 Il Primo Novecento

 

Teoria della relatività e Modello atomico di Bohr

La fisica del XX secolo ha assistito a una trasformazione profonda, grazie a due pietre miliari concettuali: la teoria della relatività di Albert Einstein e il modello atomico di Niels Bohr. Queste teorie non solo hanno modificato la nostra comprensione dello spazio, del tempo e della materia, ma hanno anche gettato le basi per applicazioni tecnologiche moderne, dalla fisica nucleare ai sistemi di navigazione satellitare.

1. La teoria della relatività di Albert Einstein

1.1 Relatività ristretta (1905)

Nel 1905, Albert Einstein propose la teoria della relatività ristretta, una riformulazione radicale della meccanica classica basata su due principi fondamentali:

1. Principio di relatività: le leggi della fisica sono identiche per tutti gli osservatori in moto uniforme l’uno rispetto all’altro.

2. Costanza della velocità della luce: la velocità della luce nel vuoto è invariabile, indipendentemente dal moto della sorgente o dell’osservatore¹.

Da questi postulati derivano alcune conseguenze sorprendenti, come:

• Dilatazione del tempo: un orologio in movimento rispetto a un osservatore rallenta rispetto a un orologio a riposo.

• Contrazione delle lunghezze: gli oggetti in movimento appaiono contratti lungo la direzione del moto.

• Equivalenza massa-energia: espressa dalla celebre formula (E=mc^2), secondo cui massa ed energia sono interconvertibili².

Questi risultati, pur apparentemente astratti, hanno conseguenze pratiche dirette, come nel caso del funzionamento del GPS, che corregge gli effetti relativistici per garantire precisione nella localizzazione satellitare³.

1.2 Relatività generale (1915)

Dieci anni dopo, Einstein estese la teoria per includere la gravità, formulando la relatività generale. Qui la gravità non è più considerata una forza in senso newtoniano, ma una conseguenza della curvatura dello spazio-tempo causata dalla presenza di massa ed energia⁴.

L’idea centrale è che gli oggetti seguono traiettorie determinate dalla geometria dello spazio-tempo, risultando in fenomeni come:

• Deflessione della luce da corpi massivi: osservata durante eclissi solari, confermando le previsioni di Einstein⁵.

• Espansione dell’universo: la curvatura dello spazio-tempo fornisce la cornice concettuale per la cosmologia moderna.

La relatività generale ha quindi non solo rivoluzionato la fisica teorica, ma ha avuto impatti pratici e filosofici, modificando la nostra concezione di realtà e di causalità nell’universo.

2. Modello atomico di Bohr

Nel 1913, Niels Bohr propose un modello dell’atomo che segnò l’inizio della meccanica quantistica applicata. Il modello di Bohr mirava a spiegare le linee spettrali dell’idrogeno, fenomeni che i modelli atomici precedenti non riuscivano a giustificare⁶.

Le caratteristiche principali del modello sono:

• Orbite quantizzate: gli elettroni occupano orbite stazionarie intorno al nucleo, corrispondenti a livelli energetici discreti.

• Quantizzazione dell’energia: gli elettroni possono saltare tra orbite assorbendo o emettendo energia sotto forma di fotoni.

• Stabilità dell’atomo: gli elettroni non irradiano energia nelle orbite stazionarie, evitando il collasso dell’atomo.

Questo modello spiegava con successo lo spettro dell’idrogeno, introducendo il concetto di quantizzazione e ponendo le basi per lo sviluppo della meccanica quantistica, che avrebbe poi utilizzato orbitali probabilistici per descrivere il comportamento elettronico più complesso⁷.

Sebbene limitato agli atomi più semplici, il modello di Bohr rappresenta un passaggio cruciale nella storia della fisica, segnando il passaggio da un paradigma classico a uno quantistico.

3. Conclusione

Le teorie di Einstein e Bohr hanno trasformato radicalmente la fisica del XX secolo. La relatività ha ridefinito lo spazio, il tempo e la gravità, influenzando tecnologie come il GPS e aprendo nuove vie nella cosmologia e nella fisica delle particelle. Il modello atomico di Bohr, invece, ha introdotto la quantizzazione dell’energia e ha permesso di spiegare fenomeni atomici prima inspiegabili.

Queste scoperte mostrano come la fisica moderna si sviluppi attraverso la capacità di combinare astrazione teorica e verifica sperimentale, delineando un approccio metodologico ancora centrale nella ricerca scientifica contemporanea.

Note

1. Einstein, A., Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik, 1905.

2. Einstein, A., Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?, Annalen der Physik, 1905.

3. Ashby, N., Relativity in the Global Positioning System, Living Reviews in Relativity, 2003.

4. Einstein, A., Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie, Annalen der Physik, 1915.

5. Dyson, F., Eddington, A., Davidson, C., A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, Philosophical Transactions of the Royal Society A, 1920.

6. Bohr, N., On the Constitution of Atoms and Molecules, Philosophical Magazine, 1913.

7. Kragh, H., Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century, Princeton University Press, 2002.

Bibliografia

• Ashby, N. (2003). Relativity in the Global Positioning System. Living Reviews in Relativity.

• Bohr, N. (1913). On the Constitution of Atoms and Molecules. Philosophical Magazine.

• Dyson, F., Eddington, A., Davidson, C. (1920). A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field. Philosophical Transactions of the Royal Society A.

• Einstein, A. (1905). Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik.

• Einstein, A. (1905). Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? Annalen der Physik.

• Einstein, A. (1915). Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie. Annalen der Physik.

• Kragh, H. (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press.