Einstein smentito: misurata la velocità istantanea nel moto browniano

immagine

Einstein, 100 anni fa, diceva che non sarebbe stato possibile, e invece oggi è realtà, grazie a Mark Raizen e collaboratori, dell’University of Texas at Austin, autori della prima misura sperimentale della velocità istantanea nel moto browniano.

L’articolo, apparso su Science, contribuisce a “chiudere una porta della fisica”, come afferma Raizen, aprendone tuttavia altre più grandi, che potrebbero portare gli scienziati a capire cosa succede veramente a livello quantico, ovvero nelle molecole e negli atomi.

Il moto browniano, scoperto dal fisico Robert Brown nel 1828 sulla base di precedenti osservazioni di Jan Ingenhousz, è il moto delle particelle presenti nei fluidi, aventi dimensioni dell’ordine dei micrometri, ovvero 10 volte più piccole di un capello umano.

A questo si può applicare una delle leggi fondamentali della meccanica statistica (branca della fisica che studia il moto di insiemi composti da un numero elevatissimo di particelle), il principio di equipartizione dell’energia.

Secondo questo cardine della fisica classica, in un sistema di moltissime particelle (come quelle del moto browniano), tutti i tipi di moto delle particelle stesse (rotazione, traslazione, etc) immagazzinano la stessa frazione di energia totale disponibile per compiere il moto.

Il principio afferma inoltre che l’energia cinetica di una particella dipende solo dalla temperatura, non dalla massa o dalle dimensioni. In altre parole, se le particelle hanno a disposizione un certa quantità di energia, utilizzeranno la stessa parte di essa per traslare (ovvero per spostarsi in altre zone dello spazio), per ruotare su se stesse, etc..

Finora nessuno aveva dimostrato sperimentalmente il teorema, perché non si era mai potuto osservare direttamente una particella singola. L’utilizzo di una strumentazione recente, il laser Tweezer, ha permesso di 'isolare' una particella e di misurarne la velocità istantanea, ovvero la velocità che essa possiede in un certo istante infinitesimo di tempo.

Tecnicamente l’apparecchio emette un fascio laser molto sottile in grado di colpire una singola particella delle dimensioni descritte, deviandone la traiettoria. Poiché l’energia del fascio è nota, si può ricavare da essa la forza applicata e quindi la velocità della particella, secondo le leggi del moto elaborate da Newton nella seconda metà del XVII secolo.

Il moto browniano è stato invece riprodotto usando minuscole particelle di vetro agitate da uno strumento in grado di riprodurre vibrazioni ad ultrasuoni, ottenendo una polvere di vetro 'sospesa' in aria.

Questa è la prima osservazione della velocità istantanea del moto browniano, prevista da Einstein senza dimostrazione 100 anni fa. Egli propose un test per misurarla nel 1907, ma disse che non sarebbe stato possibile attuarlo in pratica”. Queste le parole di Raizen, a commento dell’articolo da lui pubblicato.

L’affermazione del grande fisico premio Nobel è giustificabile con una motivazione puramente tecnica: Einstein non aveva a disposizione le strumentazioni odierne, utilizzate nell’esperimento di Raizen, e la grandezza di questa scoperta nasce anche dalla conferma delle previsioni di un secolo fa.

Gli autori della scoperta non intendono fermarsi a questo risultato e progettano di spingersi su dimensioni inferiori al micrometro, nel range delle molecole e degli atomi, dalle mille alle diecimila volte più piccoli.

Come i fisici del XIX secolo dovettero constatare, qui non valgono più le leggi della fisica classica (come le leggi del moto di Newton applicate in questo esperimento), e tutto potrebbe essere rivoluzionato. Pertanto ci possiamo aspettare, insieme ai ricercatori, esperimenti che contraddicano il principio di equipartizione, da cui ulteriori sviluppi per la fisica. Restiamo dunque in attesa di scoprire cosa succede nelle più piccole componenti dell’Universo.

Roberta De Carolis

Pin It

Cerca

Noi raccomandiamo Buono ed Economico