Chi ha detto che la massa è solo materia? un’equazione ha cambiato tutto, e da allora niente è stato più come prima.
Molte delle certezze che abbiamo sulla realtà sono figlie di un’epoca in cui la fisica sembrava un’arte meccanica, fatta di pesi, volumi e forze visibili. Ma nel Novecento, qualcosa ha cominciato a incrinarsi. I fenomeni che non si riuscivano a spiegare con le leggi classiche hanno spinto i fisici a rivedere radicalmente il significato di concetti che sembravano ovvi. Tra questi, la massa.
Fin dall’inizio dello studio della materia, la massa è stata associata alla quantità di sostanza presente in un oggetto. Una mela pesa perché contiene materia, un orologio ha massa perché è fatto di ingranaggi. Ma cosa succede se si guarda più a fondo? Se si prende in mano un sistema in movimento, o si osservano oggetti che interagiscono tra loro? Quello che si scopre è che la massa non è affatto una proprietà rigida e indipendente.
Il primo a suggerirlo in modo chiaro fu un giovane impiegato dell’ufficio brevetti di Berna, nel 1905. Quell’anno pubblicò una serie di articoli che avrebbero riscritto la fisica, e tra questi ce n’era uno destinato a diventare storico. Ma non conteneva alcuna formula scritta così com’è passata alla storia. Non c’era ancora E = mc². Lì si trovava qualcosa di più profondo: l’idea che la massa e l’energia non fossero due entità distinte.
L’intuizione nasceva da una domanda semplice: cosa determina davvero la massa di un oggetto? Non bastano le particelle che lo compongono. Bisogna considerare anche come quelle particelle si muovono, quanto interagiscono, quanta energia contengono. Un orologio acceso, con molle in tensione e ingranaggi in movimento, pesa più dello stesso orologio spento. Non per magia, ma perché ogni forma di energia interna contribuisce alla sua massa.
Un’energia nascosta dentro ogni oggetto
Einstein capì che qualsiasi energia contenuta in un sistema contribuisce alla sua massa complessiva. Energia cinetica, potenziale, termica: tutte sommate e divise per il quadrato della velocità della luce. Il risultato è una massa aggiuntiva piccolissima, ma reale. È per questo che un oggetto acceso, o carico di energia, pesa di più del suo equivalente a riposo.
Un esempio concreto è la torcia. Quando è accesa, emette luce, cioè perde energia, e con essa perde massa. Questo vale anche per il Sole, che ogni secondo perde 4 miliardi di kg irradiando luce nello spazio. La variazione è minima rispetto alla massa totale, ma dimostrabile.
La massa non è più la somma delle parti
Un atomo di idrogeno ha massa inferiore alla somma delle masse del protone e dell’elettrone che lo compongono. Perché quando queste particelle si legano, l’energia potenziale del sistema diminuisce. E siccome anche l’energia negativa conta, il risultato è una massa complessiva più bassa. Questo vale per tutti gli atomi, per tutte le molecole, per ogni sistema legato.
Nei laboratori, questa relazione si manifesta in modo spettacolare. Accelerando particelle a velocità prossime a quella della luce, si aumenta la loro energia e quindi la loro massa. Quando collidono, possono nascere nuove particelle dalla sola energia in gioco. È successo con l’antimateria, con i muoni, e con il bosone di Higgs. Tutto, sempre, a partire da un’intuizione del 1905.