L’energia può essere espressa in vari modi a seconda del sistema fisico (macroscopico, microscopico) considerato.
Sin da bambini ci hanno insegnato che l’energia non si può creare o distruggere, ma solo trasformare. Il motivo per cui l’energia di un sistema isolato (al limite tutto l’universo) rimane costante discende dal fatto che le leggi della fisica non variano nel tempo**1. Il teorema di Noether**2, di cui abbiamo parlato più volte, sancisce che ad ogni invarianza geometrica, fisica, topologica debba corrispondere una quantità conservata. Dall’invarianza temporale discende la conservazione dell’energia, da quella per traslazioni la conservazione dell’impulso (quantità di moto) da quella per rotazioni la conservazione del momento della quantità di moto. Simmetrie più “nascoste” garantiscono la conservazione della carica elettrica e delle altre caratteristiche che determinano lo stato della materia.
L’energia cinetica di una particella isolata rimane dunque costante: è questa la prima delle tre leggi del moto di Newton. In presenza di forze esercitate da agenti esterni o campi (gravitazionali, elettromagnetici o nucleari) l’energia cinetica della particella può essere spesa per acquistare energia potenziale, dipendente dalla sua posizione e in potenza estrinsecabile di nuovo sotto forma di energia cinetica, come nel caso del pendolo o dell’altalena.
L’energia è data dalla somma dell’energia cinetica (intrinseca alle particelle che lo compongono) e potenziale (dipendente da “dove” si trova, o meglio dai campi di forze con cui interagisce).
Anche senza scomodare campi e forze esterne, l’espressione dell’energia cinetica è solo apparentemente semplice. La formula stessa cambia a seconda delle circostanze: $latex E=1/2 mv^2 $ vale solo a basse velocità, se ci avviciniamo alla velocità della luce è necessario usare la formula relativistica. Ancora più sorprendente è la mutazione cui è soggetta passando dal mondo macroscopico a quello microscopico. La meccanica quantistica rispetta le equazioni classiche, a patto che si traduca il formalismo per adattarlo al mondo microscopico. Facile a dirsi, ma occorsero decenni del tempo delle migliori menti del XX secolo per completare il cammino. Nel corso del processo vennero fuori anche apparenti stranezze come l’equazione di Dirac, che postulava l’antimateria ed ora è anche utilizzata anche nel mondo macroscopico per rimorchiare (indizi di quinta forza?). Ci sono ancora buchi enormi in questa descrizione. Il più grande dei quali risiede nell’apparenze inconciliabilità di meccanica quantistica e relatività generale, ma pazienza. Il posterone di Scientificast cerca, senza riuscirci, di radunare le descrizioni più note dell’energia cinetica: alcuni degli argomenti sono già stati toccati nei post citati qui sotto, altri verranno trattati gradualmente in futuro.
**1 Probabilmente, almeno. Ci sono studi che cercano di vedere se le costanti e le leggi della fisica fossero diverse agli albori dell’universo, ma al momento sembrerebbe che tutto sia immutato da allora.
**2 Qui la storia ed altre ricerche di Emmy Noether
Legenda:
c velocità della luce
h costante di Planck
h con il taglio (accatagliata) = h / 2 pigreco
m massa particella
B campo
G campo gravitazionale
p impulso della particella p=mv
v velocità della particella
T tensore massa energia
t tempo
x,y,z coordinate spaziali
∂,∇,∇2 ∂con il taglio, derivate varie
y,Y funzione d’onda quantistica
L Il più grande errore di Einstein
m,n indici di spazio e tempo (x,y,z,t)
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