Categorie: Relatività
Tags: energia energia cinetica energia intrinseca energia termica fotone massa massa a riposo pallina da golf sistemi di riferimento velocità della luce
Scritto da: Vincenzo Zappalà
Commenti:23
Massa del fotone? Basta una pallina da golf! **
Questo articolo è una delle tante "ciliegine cosmiche" che potete gustare QUI
Sembra impossibile, ma l'energia del fotone è ancora qualcosa che crea dubbi e confusione in tante persone (ovviamente, parlo solo di quelli che desiderano sapere e non della grande massa). Ne abbiamo già parlato in lungo e in largo, cambiando il modo di vedere le cose, ma aggiungere qualcosa fa sempre bene, dato che potrebbe far scattare la molla finale. Questa volta ne do una versione molto particolare che se da un lato semplifica molto, dall'altro potrebbe aiutare a comprendere.
La dinamica relativistica di Einstein ci ha insegnato che massa ed energia sono la stessa identica cosa. Tuttavia, ci ha anche insegnato che la massa a riposo di un corpo differisce dall'energia che ha il corpo rispetto a un qualsiasi sistema di riferimento. Mi spiego meglio: la massa a riposo è un invariante e deve rimanere la stessa in qualsiasi sistema di riferimento la si misuri, la sua energia cinetica dipende, invece, fortemente dal sistema di riferimento dell'osservatore.
Immaginiamo di vedere volare una pallina da golf (tanto per scegliere un oggetto a caso, vero Frank?). Beh... lei sicuramente ha una grande energia cinetica (provate a prendervela in testa e lo verificherete immediatamente), ma ha anche una sua massa a riposo e quindi, un'energia a riposo.
Immaginiamo, adesso di muoverci alla stessa velocità della pallina. Beh... lei sarà sempre accanto a noi e la sua energia cinetica si è completamente azzerata nel nostro sistema di riferimento. Azzerare l'energia cinetica vuol dire, però, in questo caso, azzerare la velocità, e che essa debba essere moltiplicata per la massa a riposo poco importa. Non pensiamo nemmeno al fatto che la massa relativistica sia un qualcosa che cambi con la velocità: l'abbiamo usata spesso per "comodità", ma in realtà non ne abbiamo bisogno.
Torniamo sulla pallina da golf e chiediamoci: "Bene, sappiamo perché la sua energia cinetica ci "appare" nulla (e lo è nel nostro sistema), ma sappiamo anche che lei deve avere una massa a riposo. Chi o cosa gliela regala? " La risposta è presto data: "La pallina è composta da atomi e quindi basta sommare la massa a riposo dei singoli atomi". Risposta apparentemente corretta, ma molto parziale...
Gli atomi, tutto fanno meno che stare fermi. Essi sono in continuo movimento e si fermano solo se si raggiunge lo zero assoluto, luogo in cui, però sarebbe ben difficile giocare a golf... Il movimento degli atomi lo potremmo anche vedere da un altro sistema di riferimento, ma mischieremmo capre e cavoli, ossia movimento degli atomi e movimento dell'intera pallina. L'ideale è, allora, mettersi nel sistema di riferimento più favorevole, ossia nel centro di massa della pallina, dove l'energia cinetica degli atomi è sicuramente minima.
La massa a riposo diventa perciò la somma delle energie cinetiche degli atomi rispetto al centro di massa, più l'energia o, se preferiamo, massa a riposo dei singoli atomi. In altre parole, tutta questa energia la potremmo chiamare come "contenuto di energia dell'oggetto".
Per come è stato definito, questo contenuto DEVE essere indipendente dal sistema di riferimento e quindi è veramente una proprietà intrinseca dell'oggetto in questione. Non basta, perciò, sommare le masse a riposo dei singoli atomi, ma è necessario aggiungere un'altra quantità invariante che possiamo tranquillamente identificare come energia termica intrinseca, qualcosa che è definita dal movimento degli atomi contenuti all'interno dell'oggetto. In poche parole: " l'energia TERMICA della pallina è parte integrante del contenuto di energia della pallina e rimane, perciò, un invariante".
Direi che il concetto è ora abbastanza chiaro, anche senza scomodare masse relativistiche. Possiamo permetterci di spostarci sul fotone.
La faccenda non è certo semplice... per veloce che vada la pallina da golf di Frank, non potrà mai competere con la velocità di un fotone. Tuttavia, con un piccolo sforzo, soprattutto mentale, possiamo immaginare di riuscire a muoverci come la nostra pallina- fotone. La sua energia cinetica diventa perciò ZERO. La sua massa a riposo è zero e quindi dovremmo concludere che il fotone non ha alcuna energia!
Facciamo, allora, un piccolo esperimento mentale: Trasformiamo la nostra pallina in qualcosa di leggermente diverso (magari Frank riesce anche a costruirlo...): essa rimane una pallina da golf esteriormente, ma la sua superficie interna è uno specchio perfettamente riflettente. Escludendo tutto l'involucro con la sua massa a riposo, focalizziamoci soltanto sul fotone rinchiuso al suo interno, nel vuoto assoluto. Beh... tutto può fare il fotone, meno che stare fermo, in qualsiasi sistema di riferimento si trovi. Ne segue che all'interno della pallina esso continuerà a colpire lo specchio e a riflettersi avanti e indietro. Esso si comporterà proprio come un gas estremamente caldo (gas ultrarelativistico). Il contenuto intrinseco di energia della pallina sarà perciò dato dalla massa a riposo dell'involucro (esattamente come prima), il contenuto dovuto alla massa riposo del singolo fotone intrappolato al suo interno (e questa vale sicuramente ZERO) e anche l'energia cinetica del fotone intrappolato, relativa al centro di massa della pallina, perfettamente misurabile come energia termica ultrarelativistica. Il fotone, perciò, è in grado di aggiungere a quella della pallina (ossia alla sua massa a riposo) una componente essenziale di energia intrinseca.
Anche se in modo un po' strano e semplificato, abbiamo dimostrato che il nostro fotone DEVE avere energia anche se non ha massa. Chiedete alla pallina se non ci credete!
P.S.: avviso MOLTO personale a Frank:" Prova a leggere questo articolo prima di giocare e vedrai che colpi riuscirai a fare!" Come già concordato, il premio finale verrà diviso equamente (trentatré, trentatré e trentatré!).
23 commenti
Vediamo se ti piace questo: per accettare l'energia del fotone basta smettere di tentare di ridurre alla nostra esperienza sensoriale il mondo subatomico e accettare che è quello che è , che poi vediamo negli esperimenti ad esempio con il radiometro di Crookes (ne avevo uno ma è stato fatto cadere.......) che colpito dalla luce si muove. Il fotone lo trattiamo sia come onda che come particella e tutto matematicamente torna quindi forse la miglior spiegazione è quella di accettare certe "realtà" perchè comunque la giriamo probabilmente non è ne uno ne l'altro e ci sfugge come comprensione diretta, evito di citare Feynman. Questo naturalmente vale per i non addetti ai lavori.
"Beh... tutto può fare l'elettrone, meno che stare fermo, in qualsiasi sistema di riferimento si trovi. Ne segue che all'interno della pallina esso continuerà a colpire lo specchio e a riflettersi avanti e indietro. Esso si comporterà proprio come un gas estremamente caldo (gas ultrarelativistico).
Sopra volevi dire fotone vero?
Forse.... non raggiungo la velocità del fotone ma vedessi come li sparo da tutte le parti quando li colpisco con la mia pallina, quegli smidollati senza massa nulla possono contro la mia red Callaway supersoft. hahahaah.
Eccolo qui, io sudo e lui si prende il premio...... Ok ma sia chiaro 33-33 e 33 a Troisi con quell'altro non voglio avere nulla a che fare, saltinbanco da strapazzo "il protettore della costituzione", dove stava nel 2016?
PS mercoledì mi hanno di nuovo squalificato, again!!!! Non entro in dettagli tecnici e noiosi ma comincio a prenderci gusto, ci si fa un sacco di risate.
https://it.wikipedia.org/wiki/Radiometro_di_Crookes
caro Frank,
hai ragionissima, avevo scritto elettrone, ma volevo dire fotone...già corretto!
Va bene, va bene... niente a Benigni e la sua parte la dai a me. Riassumendo:
33% a Troisi
66% a me medesimo!
Per il resto, è chiaro che bisogna accettare molte cose, ma cercare di darne una visione che faccia breccia anche nei non addetti ai lavori è un impegno che ritengo giusto e utile. Non tutti giocano a golf...
Caro Enzo una sola domanda: ma l'energia del fotone dipende dalla frequenza, la velocità non cambia, ma la frequenza è la quantità di energia si... nel tuo esempio questo come si traduce? In maggior energia termica ultrarelativistica?
direi proprio di sì, Paolino... anche se il mio esempio era solo una visione ultra semplificata che voleva mettere in luce come esistesse una quantità di energia intrinseca anche nel fotone...
Figurati Enzo concordo con il rendere una visione ultrasempilficata... inoltre, d'altronde un fotone non sta mai fermo lui viaggia sempre a tavoletta( per qualunque sistema di riferimento la sua velocità non cambia e lui viaggia quasi a 3oo.ooo km al secondo) per cui con tutto questo moto deve per forza possedere una sua energia intrinseca.
Inoltre, Paolino, stavo pensando... In fondo l'energia trasportata dal fotone che ha massa nulla, dipende solo dalla sua quantità di moto che non è nulla perché può essere espressa come funzione della lunghezza d'onda e di h. E quindi anche l'energia termica descritta dipende dalla quantità di moto che possiede il fotone e quindi dalla sua lunghezza d'onda...
ops... mi hai preceduto, praticamente...
Grazie per la risposta che trovo esaustiva.
grazie a te Paolino!
Rimane un dubbio qual è la frequenza dei fotoni delle palline da golf usate da Frank ?
Io non ne ho idea al massimo con le palline ho giocato a biglie!
A sentir lui, sembra che sia vicino a quella dei gamma... dice che hanno un'energia da bucare una montagna. Non per niente la montagna sopra Città del Capo è fatta a "tavola": l'ha spianata lui con un tiro di striscio!!
Urca che scattering.
Facciamo molta attenzione a Frank... se si arrabbia è capace di rivoltare un buco nero!!
e vi ricordo che il black hole è tondo oltre ad essere un buco.
No Frank non farlo, non è come una buca da golf... ci stropicci tutto lo spaziotempo!
Gulp!! caro Paolino, temo che l'abbia già fatto... Stamattina ho sentito un'onda gravitazionale che mi ha stropicciato tutto il lenzuolo. Pensavo fosse la micina che dorme con me... ma ora ho cambiato idea!!
L'hai sentito anche tu?
Figurati che mi hanno chiamato i papalli che anche lì c'è tutto lo spaziotempo stropicciato 
e PapalEinstein è tutta la mattina che cerca di toglier le pieghe con il ferro da stiro relativistico.
caro Paolo,
chi l'avrebbe mai detto che il futuro dell'Universo sarebbe dipeso solo e soltanto da un giocatore di golf (benché bravissimo)??? Altro che densità dell'Universo e geometria dello Spaziotempo...
Se becco chi mi ha ridotto in questo stato lo riduco in papalpolpette!!
Ragasoli speriamo che non vi siano nuovi adepti al circolo altrimenti facciamo la figura dei cazzari, a me sta anche bene, una risata viene prima di tutto. Alla luce delle vostre affermazioni posso inquadrare l'infinito teatro del cosmo come un campo da golf, le buche ci sono, le palline pure, il percorso anche. Quindi dobbiamo solo interpretare la forza di gravità come bastone da golf e poi diamo scacco ad Albertino. A dire il vero mancherebbe anche il giocatore ma per questo possiamo appoggiargi a qualche teologo, ricordandosi che il diavolo ha inventato il gioco del biliardo.
Non credo Frankolino di Monte... Tavola... e poi se qualcuno non gradisce questo tipo di ironia e di battute può sempre rifugiarsi su facebook. I nostri lettori si divertono con noi, ne sono sicuro!
E vuoi mai che qualcuno "nuovo" non abbia voglia di conoscere meglio quegli oggetti e quei fenomeni reali che stiamo citando in modo scherzoso? Mai dire mai. L'importante è sempre e comunque che si rimanga un po' (tanto) bambini quando si è nell'ambiente adatto!
N.B.: pensavo a un rischio enorme che ti stai prendendo. Immagina se il buco a cui tiri fosse un buco di un mamba (chiamiamolo pure "buco del verme" o wormhole)? Magari colpiresti sulla testa un abitante di un altro Universo e questo potrebbe ricambiarti di uguale moneta! Attento a te...
AAAhhh behhh se cominciamo con i magari potrebbe anche essere che l'alieno ha una pessima mira e colpisce un tale di Ripalda....... Comunque scherzi a parte, non infilo mai la mano nella buca senza prima guardare, giusto due settimane fa un serpentello sul practice green l'ho trovato.
Ahi... ahi... non vorremmo perderci così il nostro tagliatore di montagne!