Cinque tra le leggi fisiche più belle

Alla scoperta delle leggi fisiche più belle

 
Il concetto di “bello” nasce per essere associato ad espressioni artistico-letterarie. Negli ultimi anni, però, viene sempre più spesso usato anche in campo scientifico, in particolare in fisica. Lì, infatti, un ideale di Universo unificato e simmetrico sembra rispondere anche ad un’esigenza di tipo estetico; e quindi, di conseguenza, tutte le leggi che manifestano in maniera semplice ed elegante l’uniformità del Cosmo finiscono per apparire come belle, agli occhi dello specialista ma anche del profano.

La classificazione che viene qui proposta, del tutto opinabile, presenta pertanto alcune leggi che sembrano possedere il requisito richiesto. Non troverete però l’equazione della bellezza di Paul Dirac, sia perché particolarmente complessa dal punto di vista matematico, sia perché non ben compresa nemmeno dagli addetti ai lavori! A parte questa, però, c’è molto di cui parlare.

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E = mc²

La legge più famosa di tutte, firmata Albert Einstein

Albert Einstein è stato il prototipo di scienziato geniale del NovecentoPartiamo dalla legge E = mc², in cui è contenuto il principio di equivalenza tra massa ed energia e in cui si concepisce quindi la materia come energia cristallizzata. Senza dimenticare che vi compare anche, alla seconda potenza, l’invariante più importante della fisica, cioè la velocità della luce nel vuoto (c = 300.000 km/s).

Nel 1905 Albert Einstein pubblicò una serie di importantissimi articoli. Uno di questi, quello sull’effetto fotoelettrico, gli valse il premio Nobel. Un altro, Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento, gli servì per introdurre la teoria della Relatività speciale, che rappresentava il superamento, nel caso di particelle in moto con velocità prossime alla velocità della luce, della Relatività galileiana. A questa sarebbe poi seguita, nel 1915, la teoria della Relatività generale, definita la più bella teoria della fisica di tutti i tempi.


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In un ulteriore articolo, datato settembre del 1905, introduceva la formula che qui presentiamo, in un modo tale da rivoluzionare tutta la meccanica classica, grazie al concetto di gravità come curvatura dello spazio-tempo provocata dalla massa.

Le deformazioni spazio-temporali

L’Universo è rappresentato da Einstein come un tappeto elastico che subisce delle deformazioni laddove ci sono grandi masse (ad esempio le stelle). In tal modo masse più piccole (ad esempio pianeti e satelliti) in prossimità di queste deformazioni spazio-temporali non potranno più procedere in linea retta ma seguendo traiettorie orbitali come nei gorghi d’acqua.

Le conseguenze della teoria della Relatività sono molte, dalla dilatazione del tempo (paradosso dei gemelli) alla contrazione delle lunghezze, dall’esistenza dei Buchi Neri al Big Bang. L’ultima in ordine di tempo consiste nella comprovata esistenza delle onde gravitazionali. Senza ombra di dubbio E = mc² è oggi la legge della fisica non solo più conosciuta, ma anche più citata e rappresentata.

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Il principio di indeterminazione di Heisenberg

∆x · ∆p ≥ h/(2π)

Werner Heisenberg durante una sua lezioneNel principio di indeterminazione di Heisenberg si afferma che per un osservatore è impossibile conoscere contemporaneamente posizione e quantità di moto (quindi velocità) di una particella. L’impatto che questa legge ebbe all’epoca della sua formulazione, nel 1927, sulla fisica classica fu veramente dirompente, perché segnò la fine del determinismo e l’affermazione di nuove teorie fondate sul concetto di probabilità.

Grazie a Werner Heisenberg cominciò un processo che, attraverso l’impegno di diversi scienziati che costituirono la famosa scuola di Copenaghen, portò alla formulazione della Meccanica quantistica e del Modello Standard, che a tutt’oggi è considerato il più valido nello studio della fisica delle particelle. Naturalmente tutto questo è vero quando si vuole indagare la materia a livello subnucleare; a livello macroscopico le leggi della fisica classica funzionano ancora a meraviglia!

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Il secondo principio della termodinamica

∆S (universo) > 0

William Thomson, barone di Kelvin, autore di una delle più importanti leggi fisicheAl terzo posto della nostra lista, per i risvolti di natura anche filosofica che ne possono derivare, troviamo il secondo principio della termodinamica, o meglio una sua diretta conseguenza. Qui compare una grandezza, chiamata entropia (S), che esprime il grado di disordine di un sistema termodinamico.

Il secondo principio della termodinamica afferma infatti che l’entropia dell’Universo, e di conseguenza il suo grado di disordine, aumenta. È l’affermazione dell’irreversibilità delle trasformazioni termodinamiche: come dire che la natura ha scelto il suo modo di procedere dall’ordine al disordine!


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Grazie a questo principio, elaborato in maniera autonoma da Rudolf Clausius e Lord William Thomson, barone di Kelvin, verso la metà del XIX secolo, viene anche definito il verso di scorrimento del tempo, la cosiddetta “freccia del tempo”, che procede dal passato al futuro. Non è infatti possibile invertire il tempo poiché le trasformazioni termodinamiche sono irreversibili con conseguente impossibilità di ripristinare le condizioni iniziali.

 

La legge di gravitazione universale

F = GmM/d²

Isaac Newton in un celebre ritrattoAl quarto posto, come non citare il grande Isaac Newton e la sua Teoria della gravitazione universale? Scritta nel 1687, permise di sintetizzare e spiegare sia le osservazioni di Galileo che le leggi di Keplero. Con eleganza e semplicità la legge di Newton consentì di dare uno stesso fondamento scientifico al moto di tutti i corpi celesti e al moto di caduta dei gravi.

La forza attrattiva tra le due masse m e M risulta essere direttamente proporzionale alle masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Ne consegue che si tratta di una forza a distanza, ossia che si manifesta senza contatto diretto tra i corpi.

Gli altri meriti di Newton

Questa concezione di forza sarà superata da Einstein e dalla sua visione di curvatura dello spazio per effetto della gravità. A Newton (insieme a Leibniz) va però dato anche il merito di aver messo le basi del calcolo infinitesimale moderno che gli permise di dare forma alle leggi fisiche con strumenti matematici adeguati.

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La legge di Coulomb

F = kqQ/d²

Coulomb, autore di una delle più importanti leggi dell'elettrologiaAll’ultima voce della nostra lista, in analogia alla Legge di Newton, si pone la Legge di Coulomb (1785) per le cariche elettriche. La somiglianza con la precedente è evidente: si tratta anche in questo caso di una forza che è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le due cariche q e Q.

Le differenze però sono importanti e dipendono dal diverso peso assunto dalle costanti che rendono la forza elettrica molto più forte della gravitazionale. Bisogna inoltre considerare anche la polarità presente nelle cariche elettriche: mentre la forza gravitazionale è puramente attrattiva, la forza elettrica può essere attrattiva o repulsiva.

Le conseguenze della legge

Lo sviluppo successivo dell’Elettrologia, inizialmente vista come una serie di fenomeni curiosi e di effetti speciali, porterà anche alla Seconda rivoluzione industriale e a numerosissimi effetti pratici.

L’unificazione dei fenomeni elettrici e magnetici si raggiunse grazie al lavoro di scienziati come André-Marie Ampère, Michael Faraday e soprattutto James Clerk Maxwell, che ultimò il lavoro con la pubblicazione nel 1864 delle quattro equazioni che saranno il fondamento dell’elettromagnetismo. Tutto questo portò poi alla fine del XIX secolo alla realizzazione dei motori elettrici e degli alternatori, fino alla produzione e alla diffusione dell’energia elettrica su larga scala.

 

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