L’articolo del giovane Einstein scritto nel 1895

Il primo articolo scientifico di Einstein fu scritto nel 1895 probabilmente a Pavia. Poco dopo la partenza della famiglia da Monaco, egli nel Dicembre 1894 lasciò il liceo Luitpold e raggiunse la famiglia a Milano. Proprio a Milano acquistò alcuni libri di fisica, che sono parte della sua biblioteca. Nella successiva primavera la famiglia si trasferì a Pavia, dove si trovava l’azienda elettrotecnica posseduta e gestita dal padre e dallo zio di Albert. A Pavia egli si preparò privatamente per l’esame di ammissione al Politecnico di Zurigo, nell’Ottobre successivo. L’ambiente pavese risultò sicuramente stimolante per il giovane Albert. Vi sono testimonianze del coinvolgimento del ragazzo in alcuni problemi tecnologici dell’azienda e del rapporto con lo zio, ingegnere creativo e detentore di numerosi brevetti. Inoltre l’abitazione pavese della famiglia Einstein, collocata in via Foscolo, distava solo qualche centinaio di metri dalla sede dell’Università, dotata non solo di una splendida biblioteca contenente testi di matematica e fisica in lingua tedesca ma anche di laboratori di fisica risalenti al tempo di Volta.
manoscritto Einstein
In Ottobre il giovane Albert non fu ammesso al Politecnico nonostante la buona prova in fisica: il professor Weber lo considerò adatto a frequentare il suo corso del secondo anno. In quello stesso periodo inviò un breve saggio allo zio Caesar Koch, a Bruxelles, come segno del desiderio di perseguire i propri interessi scientifici. Egli aveva allora sedici anni e il contenuto del saggio, differentemente dal contenuto dei suoi successivi articoli, risulterebbe difficile da comprendere per un odierno fisico professionista. L’argomento è strettamente connesso al dibattito sull’etere sviluppatosi negli ultimi decenni del diciannovesimo secolo, un dibattito che potremmo collocare al confine tra meccanica ed elettromagnetismo. Nelle tre pagine del saggio alcune parole ricorrono con particolare frequenza: “Bewegung” (movimento), “Äther”, “Kraft” (forza o energia) e “Feld” (campo); “Äther” è la parola più citata. Nonostante la iniziale dichiarazione dei propri limiti scientifici, il saggio non è privo di interesse. Egli ipotizzava l’esistenza di un etere elastico, sede di fenomeni magnetici e di propagazione di radiazione elettromagnetica. La magnetizzazione dell’etere comportava l’accumulo di energia potenziale sotto forma di tensioni nella sua struttura, in grado di modificare localmente densità ed elasticità del mezzo stesso. Che campi elettrici e magnetici dovessero ritenersi strettamente connessi all’energia del mezzo era un elemento fondamentale della teoria di Maxwell ma nel testo del giovane Einstein l’identificazione sembra un po’ diversa. Egli ipotizzava che lo stato di magnetizzazione dell’etere potesse modificare la velocità di propagazione della luce e suggeriva alcuni esperimenti in proposito. Vi era alla base una stretta connessione tra magnetismo ed ottica così come tra elettromagnetismo e meccanica dei continui. Egli citava esplicitamente i “meravigliosi” (wunderbaren) esperimenti di Hertz e faceva riferimento all’energia spesa dalle correnti elettriche per contrastare l’inerzia della struttura dell’etere e mantenere lo stato di magnetizzazione. In altre parole, parte dell’energia cinetica delle correnti doveva restare concentrata come energia potenziale nell’etere: questo è un elemento interpretato da A. Pais come indizio di una autonoma scoperta di un fenomeno di autoinduzione. Come si connette questo saggio di Einstein con le conoscenze della comunità scientifica del tempo? In quale misura egli partecipava di quel patrimonio di conoscenze? Il sistema di riferimento teorico generale del saggio è il modello concettuale dell’azione contigua di Maxwell reinterpretate da Hertz, in particolare un modello meccanico di etere. Questa concezione, che alcuni storici giudicano “un po’ antiquata in relazione al periodo in cui il saggio fu scritto”, è parte di un più generale confronto tra concezioni meccaniche e concezioni elettromagnetiche dell’etere. Una sintesi efficace dei modelli concettuali che attraversarono la storia dell’elettromagnetismo si trova nella famosa Introduzione di Hertz alla sua raccolta di saggi Electric Waves del 1893. Egli condivideva con il suo maestro H. von Helmholtz alcune ipotesi fondamentali, in particolare:


  • le polarizzazioni elettriche nei dielettrici e le correnti elettriche nei conduttori producono effetti elettromagnetici simili;
  • l’aria e lo spazio vuoto si comportano come tutti gli altri dielettrici.
All’interno del dominio dell’elettromagnetismo egli distingueva quattro concezioni principali, illustrate per mezzo di una coppia di piatti conduttori (un condensatore), le cariche elettriche su di essi e il mezzo interposto:



1) La concezione dell’azione a distanza tra almeno due corpi, la stessa concezione che diede origine alla ben nota legge di Coulomb;


2) La concezione della “teoria del potenziale” tedesca, nella quale ogni corpo è pensato come centro – sede e sorgente- di forza; rimuovendo la parte B di etere, le forze elettriche non risultano influenzate;
2
3a) La concezione di forze che inducono trasformazioni attraverso il mezzo (lo spazio non è vuoto!) e queste trasformazioni, a loro volta, danno origine a nuove azioni a distanza: l’energia è immagazzinata nei corpi elettrizzati; rimuovendo la parte B di etere, resterebbero le forze ma sparirebbero le polarizzazioni; 3a
3b) la concezione di forze che inducono trasformazioni nel mezzo, le quali, a loro volta, danno origine a nuove azioni a distanza ma, differentemente dal caso precedente, l’energia è immagazzinata nel mezzo; rimuovendo la parte B di etere, resterebbero solo trascurabili forze a distanza; 3b

4) la concezione di una azione contigua attraverso il mezzo, in cui la polarizzazione del mezzo è la sola cosa realmente presente: non vi sono forze a distanza e l’energia è immagazzinata nel mezzo; rimuovendo la parte B di etere, ogni azione elettrica scomparirebbe
4



Il giovane Einstein sembra vicino al modello che Hertz indicava come 3b: l’energia è prevalentemente nell’etere ma le grandezze fondamentali sono le cariche di conduzione sulle piastre del condensatore. Questo modello, che in Maxwell si sovrappone al modello 4, nel quale le grandezze fondamentali sono le polarizzazioni, era il modello di Helmholtz. Il saggio presenta contenuti di meccanica ed elettromagnetismo che sarebbero sopravissuti sia alla dematerializzazione dell’etere da parte di Lorentz, sia alla sua eliminazione da parte dello stesso Einstein nel 1905: l’azione contigua, l’energia elettromagnetica, l’incremento di inerzia delle cariche elettriche in moto, … Ciò che nel saggio è descritto in termini meccanici dieci anni dopo sarebbe stato descritto in modo più astratto, come effetto dei diversi punti di vista che si realizzano nel passaggio da un sistema di riferimento inerziale ad un altro.

Fabio Bevilacqua, Stefano Bordoni

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