Dopo 106 anni, la grande teoria di Einstein si è dimostrata corretta

Nel 1905 Albert Einstein scrisse quattro articoli innovativi sulla teoria dei quanti e sulla relatività. Uno era diretto verso il moto browniano, un altro fu insignito del Premio Nobel nel 1921 e l’altro pose le basi della teoria della relatività speciale. Divenne noto come Annus mirabilis di Einstein, o l’anno dei miracoli.

Ma l’ultimo articolo di Einstein del 1905 è il più prevedibile.

Il documento è lungo solo due pagine e delinea come la relatività ristretta possa spiegare uno strano aspetto del decadimento radioattivo.

Come ha spiegato meglio Marie Curie, alcune sostanze, come i sali di radio, possono emettere molecole con molta più energia di quanto sarebbe possibile con la semplice chimica.

Il piccolo articolo di Einstein ipotizzava che l’energia extra potesse essere compensata dalla perdita di massa delle particelle fondamentali. Questa idea alla fine portò alla più famosa equazione di Einstein, E = mc2.

Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio. 1904, autore sconosciuto.

In che modo Einstein ha cambiato la fisica delle particelle?

Questa equazione è spesso intesa nel senso che materia ed energia sono due facce della stessa medaglia. Ciò significa in realtà che la massa apparente e l’energia di un oggetto dipendono dal moto relativo dell’osservatore. Per questo i due si intrecciano, in modo simile al rapporto tra spazio e tempo.

La conseguenza di questa relazione è che nelle giuste condizioni, le cose dovrebbero essere in grado di generare energia attraverso una perdita di massa. Oggi sappiamo che questo è esattamente ciò che accade con il decadimento radioattivo. L’effetto è anche il modo in cui le stelle generano energia nei loro nuclei attraverso la fusione nucleare.

Naturalmente, se la materia può diventare energia, allora anche l’energia può diventare materia. Questo trucco è un po’ più complicato e ci sono voluti degli acceleratori di particelle per realizzarlo.

Oggi lo facciamo sempre. Accelera le particelle vicino alla velocità della luce e raggruppale insieme. La grande massa apparente delle particelle rilascia un’enorme energia e parte di questa energia viene riconvertita in particelle.

Tutta la fisica delle particelle moderna può far risalire la sua storia al documento a due facce di Einstein.

Ma le leggi della fisica non solo affermano che puoi generare energia dalla materia e viceversa. Impone specifiche limitazioni alla natura della materia e dell’energia prodotta.

Uno degli esempi più semplici è l’annichilazione di elettroni e positroni. Questo accade quando un elettrone si scontra con il suo gemello di antimateria. Le due particelle hanno la stessa massa ma carica opposta, quindi quando si scontrano generano due fotoni ad alta energia. L’intera massa dell’elettrone e del positrone viene convertita in energia. Gli scienziati hanno proposto per la prima volta questo esperimento negli anni ’30, ma non è stato eseguito fino al 1970.

La moderna fisica delle particelle deve molto al lavoro di Albert Einstein oltre un secolo fa. Archivi di storia del mondo/World Image Collection/Getty Images

Creare materia dalla luce

Se riesci a convertire completamente la materia in energia, dovresti essere in grado di fare il contrario. È noto come processo Breit-Wheeler e comporta la collisione di due fotoni per formare una coppia elettrone-positrone. Abbiamo usato la luce molte volte per creare la materia, ma è molto difficile convertire due fotoni direttamente in materia.

Ma l’esperienza recente mostra che è possibile.

Il team ha utilizzato i dati del Relative Heavy Ion Collider ed ha esaminato più di 6.000 eventi che hanno creato coppie elettrone-positrone. Invece di inviare solo laser insieme, hanno usato collisioni di particelle ad alta energia per generare intense esplosioni di fotoni.

In alcuni casi, questi fotoni si scontrano per formare una coppia elettrone-positrone. Dai dati puoi mostrare quando la coppia è stata creata direttamente dalla luce.

Poiché queste produzioni di coppie si sono verificate in un campo magnetico intenso, il team ha anche dimostrato un altro effetto eccitante noto come birifrangenza del vuoto. La rifrazione naturale si verifica quando la luce viene divisa in due raggi di diversa polarizzazione. Questo effetto si verifica naturalmente con materiali come l’albero islandese. Con la rifrazione del vuoto, la luce che passa attraverso un intenso campo magnetico si divide in due poli, con ciascuna polarizzazione che prende un percorso leggermente diverso.

È un effetto sorprendente se ci pensi perché significa che puoi semplicemente cambiare il percorso della luce nel vuoto usando un campo magnetico. La rifrazione del vuoto è stata osservata alla luce di una stella di neutroni, ma questa è la prima volta che viene osservata in un laboratorio.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato da Brian Koberlin per Universe Today. Leggi l’articolo originale qui.