Dalla Massa all’Energia dall’Energia alla Massa

Principi di conservazione precedenti ad Einstein:
1) Principio di conservazione della Massa
Nel XVIII secolo il chimico francese Antoine Lavoisier scoprì che in una reazione chimica la somma delle masse dei reagenti è uguale alla somma delle masse dei prodotti, il che equivale a dire che in una reazione chimica la massa si conserva in quanto non si ha né creazione né distruzione di materia.
2) Principio di conservazione dell’Energia
Principio fondamentale della fisica, secondo il quale l’energia non può essere creata né distrutta, ma può solo essere trasformata da una all’altra delle diverse forme in cui si presenta. La formulazione di questo principio prese le mosse, negli anni successivi al 1840, da due nuove fondamentali acquisizioni: il chiarimento del concetto di lavoro meccanico e la dimostrazione della convertibilità ed equivalenza tra calore e lavoro. Il chiarimento del concetto di lavoro meccanico avvenne negli anni successivi al 1820, quando ingegneri e fisici francesi (M.L.H. Navier, G.G. Coriolis e J.V. Poncelet) mostrarono che il concetto di lavoro forniva una misura dell’energia meccanica. I più importanti contributi relativi alla conferma sperimentale dell’equivalenza quantitativa tra calore e lavoro furono la serie d’indagini pubblicate negli anni successivi al 1840 da J.P. Joule. Egli studiò la trasformazione diretta, nei fenomeni d’attrito, di lavoro meccanico in calore (la celebre “esperienza del mulinello”: veniva generato calore per attrito in un fluido utilizzando un mulinello: l’aumento di temperatura del fluido veniva misurato con un termometro ed il mulinello veniva messo in moto dalla discesa di un peso ad esso collegato tramite un sistema di carrucole. Misurando lo spazio percorso dal peso, Joule era in grado di determinare il rapporto tra il lavoro effettuato ed il calore prodotto) e la sua conclusione fu che: “Ogni volta che si ha il consumo di un lavoro, si ottiene sempre un’identica quantità di calore equivalente”, ovvero che la quantità di calore generata per attrito è proporzionale alla quantità di lavoro speso. Ma per avere la prima chiara formulazione del principio dobbiamo aspettare la memoria “Sulla conservazione della forza” di H. von Helmholtz pubblicata nel 1847. Egli stabilì che l’aumento della Ek (energia cinetica) di un corpo materiale sottoposto all’azione di una forza centrale (ovvero la risultante di tutte le forze applicate al corpo) eguaglia l’U (energia potenziale) totale dovuta al cambiamento della posizione del punto; concluse che la somma della Ek e della U fosse costante. In seguito ricondusse a tale principio sia la Legge di Joule (“Se il circuito è costituito da un conduttore ohmico tutta l’E della corrente si trasforma in calore”), sia le leggi di Kirchhoff sui circuiti (1° Principio: “La somma delle correnti che giungono in un nodo è uguale alla somma delle correnti che se ne allontanano. La somma algebrica delle correnti in un nodo è uguale a zero.” 2° Principio:”Sommando algebricamente al potenziale V(A) in un punto A del circuito tutte le variazioni di potenziale che si incontrano percorrendo completamente il circuito, si ottiene di nuovo V(A).”) sia i risultati di Joule sull’equivalente meccanico del calore.

Principio di conservazione della Massa-Energia:
La Massa-Energia non può essere creata né distrutta, ma può solo essere trasformata da una all’altra delle diverse forme in cui si presenta. Infatti nella teoria della relatività, oltre a scoprire che la grandezza massa non è più costante, si verifica, in modo sorprendente, come la massa è una forma di energia da aggiungere, nell’enunciare il principio di conservazione dell’energia, alle tradizionali Ek ed U. Tutte le trasmutazioni di massa in energia e di energia in massa sono espresse dalla famosa relazione di Einstein E=mc^2 in cui la velocità della luce nel vuoto assume il ruolo di fattore di conversione fra due grandezze che prima di Einstein erano considerate distinte. La trasformazione di massa in energia può essere sperimentalmente verificata nei decadimenti radioattivi e nelle disintegrazioni artificiali. Mentre la materializzazione dell’E può essere messa in evidenza ogni qualvolta una coppia di elettroni di carica opposta viene creata da un fotone. L’equivalenza di massa ed energia condusse alla fusione delle categorie della fisica meccanicistica e fornì un riferimento concettuale per una fisica unificata, gettando un ponte fra i concetti della meccanica e quelli dell’elettromagnetismo.