Principio di conservazione
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Il principio di conservazione è uno dei principi fondamentali della fisica.
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[modifica] Principio di conservazione dell'energia totale
In un sistema isolato, cioè in un sistema sul quale non agiscono forze esterne, l'energia totale (somma dell'energia meccanica, termica, elettromagnetica, della massa, ecc.) non può subire variazioni, quali che siano le trasformazioni che subiscono le singole forme di energia.
Questa sintetica definizione del principio di conservazione dell'energia totale, un vero e proprio fondamento della fisica, merita di essere approfondita per meglio apprezzare il suo significato e la sua portata.
In fisica esistono numerose leggi che riguardano la conservazione della materia (massa) e dell'energia: conservazione della materia, dell'energia meccanica, della massa-energia, della quantità di moto, del momento angolare, della carica elettrica, ecc.. Nello svolgimento di un fenomeno fisico, mentre le grandezze in gioco cambiano continuamente nel tempo, c'è una grandezza che rimane sempre costante, dall'inizio alla fine del fenomeno. Ad esempio, l'energia meccanica ( cinetica + potenziale) dissipata dalle forze di attrito non scompare nel nulla ma si ritrova trasformata in energia interna dei corpi tra cui si svolge l'attrito, sotto forma di aumento dell'energia cinetica delle molecole (aumento della temperatura). Quando fermiamo la nostra vettura dalla velocità di 50 km orari a zero, la somma dell'energia meccanica della vettura e dell'aumento dell'energia interna dei corpi in attrito (freni, pneumatici, asfalto stradale e aria) resta costante in ogni istante (energia totale). Nelle centrali nucleari l'energia nucleare contenuta nei nuclei di uranio si trasforma inizialmente in energia interna del vapore, poi in energia meccanica e infine in energia elettrica. Nel Sole ogni secondo 600.000.000 di tonnellate di idrogeno si trasformano in 595.500.000 tonnellate di elio. Dopo questa trasformazione (fusione termonucleare), 4.500.000 tonnellate di idrogeno (pari allo 0,75%) sembrano svanite nel nulla; in realtà questa massa mancante si è trasformata direttamente in energia, ossia in radiazione elettromagnetica, secondo l'equazione di Albert Einstein E=mc².
Ma le leggi di conservazione, costantemente verificate a livello macroscopico nello studio dei fenomeni, valgono e vengono verificate anche a livello subatomico e nucleare (legge di conservazione del numero barionico, del numero leptonico, della massa-energia, ecc.), ossia in ambiti fisici dove la meccanica di Newton e Galileo non è più valida. Negli acceleratori di particelle viene costantemente verificato che l'urto di due fotoni genera una coppia elettrone-positrone avente l'identica energia dei fotoni iniziali, e, viceversa, la collisione di un elettrone e un positrone causa la loro annichilazione e trasformazione in due fotoni della stessa energia. Tali fenomeni riguardanti la trasformazione dalla materia all'energia (e viceversa), avvengono sempre nel rispetto assoluto dell'equazione di Einstein (E=mc²).
Il complesso delle leggi fisiche di conservazione conducono ad un significato più generale rispetto alle stesse leggi singolarmente considerate, per cui si parla di principio di conservazione dell'energia totale (principle of conservation of energy) nella sua accezione più generale (comprendente tutte le diverse forme di energia in gioco nel fenomeno considerato) e non soltanto di legge (in tal senso l'Amaldi, citato in bibliografia) "perché non si tratta di una semplice conseguenza di altre leggi, ma di un assioma ricavato per induzione da moltissime esperienze", di un vero e proprio principio universale, in base al quale in natura nulla si crea e nulla si distrugge ma tutto si trasforma.
Scrive l'Amaldi (su Fisica 1, pag. 256, vds. bibliografia): “Anche l'Universo, nel suo insieme, può essere considerato un sistema isolato, perché non ha senso pensare che al di fuori di esso vi sia qualcos'altro. Sulla base delle nostre conoscenze siamo convinti che, se fosse possibile misurare tutta l'energia che l'Universo contiene, si potrebbe verificare che la quantità totale di joule al suo interno è uguale a quella di circa 15 miliardi di anni fa e continuerà a restare immutata nel futuro più lontano.”
Coerente con il principio di conservazione è la recente teoria del Big Bounce del fisico americano Martin Bojowald, che prende concettualmente il posto del Big Bang e del Big Crunch, fondendoli in una nuova formulazione scientifica, per la quale l'Universo attuale non sarebbe altro che l'ennesimo rimbalzo di un precedente Big Crunch (Universo ciclico e perpetuo). Questa teoria esclude la singolarità iniziale puntiforme (prevista dalla teoria classica del Big Bang), sorta dal nulla con volume zero ma dotata di energia e densità infinite, ipotesi che appare inverosimile sulla base di tutte le leggi fisiche note ("a mathematically nonsensical state" - vds. l'articolo pubblicato sul sito www.science., citato in bibliografia). Il Grande Rimbalzo, infatti, avverrebbe prima che il collasso gravitazionale possa arrivare alla singolarità.
In linea con il principio di conservazione è anche l'osservazione scientifica della inesistenza del vuoto: nello spazio il vuoto-nulla non esiste, c'è sempre perlomeno una quantità minima di energia, denominata energia di punto zero.
Il principio di conservazione della materia e dell'energia (dopo Einstein della massa-energia) ha, evidentemente, rilevanti implicazioni anche al di là dell'ambito della fisica e della cosmologia. Il dato di fatto che nulla può essere creato e nulla può essere distrutto (nel senso dell'annullamento-disintegrazione) implica l'ipotesi che l'Universo sia del tutto autosufficiente: un eterno divenire della realtà fisica (energia-materia) che non ha mai avuto origine e non avrà mai fine (cfr. S. Hawking, dal Big Bang ai buchi neri, pagg. 160 e 165).
[modifica] Cenni storici sul principio di conservazione
I punti cardine del principio di conservazione si possono così riassumere: nel 1772 Antoine Lavoisier dimostrò sperimentalmente che la materia non può essere creata o distrutta, ma solo trasformata. Nella seconda metà del 1800 le scoperte di diversi scienziati (Joule, Carnot, Thomson, Clausius e Faraday) svelarono che, analogamente, che lo stesso principio valeva anche per l'energia, pervenendo ad una compiuta descrizione dei primi due principi della termodinamica. Tuttavia, fino ai primi anni del Novecento, tutti pensavano che la materia e l'energia fossero due mondi assolutamente separati e senza alcun punto di contatto; questo fino al 1905, quando un giovane fisico tedesco, Albert Einstein, scoprì, con la celeberrima equazione E = mc², che l'energia e la massa (materia) sono i due aspetti che può assumere la realtà fisica, essendo, in effetti, la materia una forma di energia.
Quindi, il principio in esame divenne quello della conservazione della massa-energia: ciò che resta sempre costante sul nostro piccolo pianeta e nell'Universo è la somma di massa ed energia, e l'una si trasforma continuamente nell'altra e viceversa. A livello macroscopico il caso classico è l'energia solare (trasformazione della materia in energia); a livello subatomico (fisica quantistica) l'urto di fotoni genera continuamente coppia di particelle e antiparticelle, come pure l'urto di tali coppie genera fotoni (come si verifica costantemente negli acceleratori).
[modifica] Voci correlate
- Universo
- Big Bang
- Big Crunch
- Big Bounce
- Legge di conservazione
- Legge di conservazione dell'energia
- Termodinamica
- Meccanica Quantistica
[modifica] Bibliografia
[modifica] Testi scritti
- Ugo Amaldi, Fisica: idee ed esperimenti, vol. 1, 2 e 3, Zanichelli, 2001.
- Maurizio Gasperini, l'Universo prima del Big Bang - Cosmologia e teoria delle Stringhe, Franco Muzzio Editore, 2002.
- Margherita Hack, Pippo Battaglia, Walter Ferrari, Origine e fine dell'Universo, UTET libreria, 2002.
- Margherita Hack, L'Universo alle soglie del duemila, Rizzoli BUR supersaggi, 1997.
- Stephen Hawking, Dal Big Bang ai buchi neri, Rizzoli, 1988.
- Stephen Hawking, Buchi neri e universi neonati, Rizzoli BUR supersaggi, 1997.
- l'Astronomia, n. 288 agosto/settembre 2007 (periodico mensile).
- Newton, n. 9 settembre 2007 (periodico mensile).
[modifica] Siti Internet
- http://www.science.psu.edu/alert/Bojowald6-2007.htm (What Happened Before the Big Bang?).
- http://www.spazioforum.net/forum/index.php?showtopic=36822 (L'universo come la Fenice).
- http://www.galileonet.it/news/8648/il-gran-rimbalzo-delle-origini.
- http://www.lswn.it/astronomia/articoli/la_teoria_loop_quantum_gravity_ed_il_bouncing_universe.
- http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bounce.