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Einstein e la Teoria della Relatività 1905-2005. Albert Einstein Albert Einstein nacque il 14 Marzo 1879 a Ulm, in Germania. Suo padre era un operaio.

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Presentazione sul tema: "Einstein e la Teoria della Relatività 1905-2005. Albert Einstein Albert Einstein nacque il 14 Marzo 1879 a Ulm, in Germania. Suo padre era un operaio."— Transcript della presentazione:

1 Einstein e la Teoria della Relatività

2 Albert Einstein Albert Einstein nacque il 14 Marzo 1879 a Ulm, in Germania. Suo padre era un operaio specializzato nella costruzione di apparecchiature elettriche. A causa di un fallimento economico suo padre fu costretto a trasferirsi con la famiglia prima a Munich poi a Milano. I genitori curiosità

3 Il padre era proprietario di una piccola industria elettrochimica, ed era un "Ottimista inguaribile"; era un uomo che non si preoccupava del denaro, amava la campagna e la cultura classica. La madre era particolarmente equilibrata ed attiva, era in grado di superare persino con umorismo le disastrose avventure economiche dellazienda familiare. Anche lei, come tutti nella famiglia Einstein, amava la cultura, larte e in particolare la musica. Latmosfera nella quale visse il giovane Albert non prevedeva però una forma di istruzione religiosa e per questo maturò in lui un profondo distacco da ogni forma di religione rilevata.

4 Einstein e la musica Einstein aveva ereditato dalla madre lamore per la musica. Non tutti pensano che fosse un buon violinista, ma quel che è certo è che il violino occupava un posto significativo nella sua vita. Diede concerti a profitto di una delle numerose organizzazioni umanitarie da lui sostenute. Durante i suoi lunghi viaggi amava unirsi con i musicisti che incontrava per suonare in trio o in quartetto.

5 Provai una meraviglia di questo genere alletà di 4 o 5 anni, quando mio padre mi mostrò una bussola. Il fatto che quellago si comportasse in quel certo modo non si accordava assolutamente con la natura dei fenomeni che potevano trovar posto nel mio mondo concettuale di allora, tutto basato sullesperienza diretta del "toccare". Ricordo ancora – o almeno mi sembra di ricordare – che questa esperienza mi fece un impressione durevole e profonda. DIETRO ALLE COSE DOVEVA ESSERCI UN CHE DI PROFONDAMENTE NASCOSTO. Torna alla vita

6 I primi anni Durante i suoi studi non mostrò particolari attitudini, in quanto non approvava i rigidi metodi dell'istruzione, e fu davvero un pessimo allievo. I suoi genitori temevano che fosse anormale: infatti riuscì a parlare bene solo a nove anni. Einstein fu espulso dalla scuola di Zurigo con la motivazione che studiava solo ciò che voleva. Affascinato dalla matematica e dalle scienze, materie che studiò autonomamente. Dal 1902 egli divenne un esaminatore ufficiale a Berna dove lavorò per sette anni. (La pagella di Einstein; il voto più alto è 6) Torna alla vita

7 Annalen Der Physik L'anno 1905 fu un grande momento per la scienza; infatti Einstein pubblicò, a soli 26 anni, quattro articoli sul giornale Annalen Der Physik, articoli che avrebbero alterato il corso della scienza del XX Sec. Il primo trattava dei casuali cambiamenti termici nelle molecole, chiamati Browniani, per prima riconosciuti nel 1827 dal botanico inglese Robert Brown. Il secondo articolo trattava la teoria quantistica della luce divulgata da Max Planck nel 1900.

8 E=mc² Il terzo articolo tratta della teoria della relatività: L'ultimo articolo di quell'anno introdusse l'ormai famosa equivalenza tra la massa e l'energia espressa dall'equazione E=mc². Effetti t. relatività Vita Ultimi anni

9 Gli ultimi anni Gli ultimi anni di Einstein furono trascorsi cercando una teoria per la forza universale. Einstein aveva un gran rispetto per le opere della natura, e notò che "La cosa più incomprensibile del mondo è che esso sia comprensibile". Si considerava più un filosofo che uno scienziato, e in molti modi fu dello stesso stampo dei filosofi greci, come Platone ed Aristotele, cercando di capire la natura mediante la ragione anziché l'esperimento. Il suo successo deve molto ad una grande intuizione, che nessuno ha mai avuto. Morì il 18 Aprile del 1955 a Princeton. La grande guerra I due matrimoni t. relatività

10 Einstein e la guerra Nel 1933 Einstein si stabilì a Princeton, a causa dellondata antisemita provocata dallintolleranza nazista. Quando nel 1939 scoppiò il secondo conflitto mondiale il fisico Bohr annunciava che a Berlino gli scienziati Hahn e Strassman avevano scoperto la "scissione nucleare". Il 2 Agosto allora Einstein insieme ad un gruppo di scienziati, temendo che se Hitler fosse riuscito a costruire per primo la bomba atomica lavrebbe usata per porre il mondo ai suoi piedi, scrisse una lettera indirizzata al Presidente degli Stati Uniti Franklin Roosvelt chiedendo linteressamento del governo americano alle ricerche nucleari. Roosvelt riunì nel deserto di Los Alamos un gruppo di fisici che riuscirono nellintento. t. relatività Scissione nucleare

11 Il 5 e 6 Agosto del 1945 lAmerica infatti, nonostante il Giappone si trovasse in serie difficoltà e senza possibilità di riscossa, bombardò le città di Hiroshima e Nagasaki mettendo fine alla guerra ma mietendo centinaia di migliaia di vittime ingiustificatamente. Paradossalmente colui che mise in moto la terribile macchina della bomba atomica era lo stesso uomo che aveva affermato: "Il mio pacifismo è un sentimento istintivo, un sentimento che mi domina perché lassassinio delluomo mi ispira disgusto. Il mio atteggiamento non deriva da qualche teoria intellettuale, ma si fonda sulla mia profonda avversione per ogni specie di crudeltà e di odio." Ecco perché Einstein, fino alla sua morte, non dimenticò mai quella lettera e non si stancò di ripetere: "Se avessi saputo… non avrei mai scritto quella lettera" curiosità

12 Quando Einstein sbarcò negli Stati Uniti, come tutti gli emigrati, ricevette un modulo da compilare. Fra le molte domande cui bisognava rispondere ce nera una che chiedeva: "A quale razza appartieni?" E lui rispose: "A quella umana!"

13 I due matrimoni di Einstein le sue maggiori conquiste scientifiche abbiano coinciso con gli inizi dei suoi due matrimoni - il primo con la fisica serba Mileva Maric, e il secondo con la cugina Elsa - si sarebbe tentati di cedere all'impulso un po' romantico di far coincidere, nel suo caso, passione amorosa e creatività, invece non fu lo sbocciare dell'amore ad alimentare le più grandi intuizioni di Einstein bensì egli le ebbe quando gli amori finivano". Einsteien e Mileva Einstein ed Elsa

14 Albert e Mileva si sposarono nel Il 1905 è stato definito lannus mirabilis del grande scienziato, da lì iniziò la sua carriera accademica. Mileva gli faceva da assistente per i calcoli matematici mentre tirava su due figli. Lo seguì allUniversità di Praga, ma nel 1914 quando Einstein divenne direttore dellIstituto di fisica Kaiser Wilhelm a Berlino, ritornò con i bambini a Zurigo. Negli anni successivi Einstein perse la testa per la cugina Elsa, una donna frivola famosa a Berlino per la sua vanità (a un pranzo mondano pur di non mettersi gli occhiali mangiò una decorazione floreale credendola insalata).

15 Dopo sei anni di relazione, Elsa sposò Albert nel 1919 e accettò di buon grado le sue numerose infedeltà. Gli permise persino di "incontrare"regolarmente, due volte la settimana, una giovane donna che il marito aveva fatto assumere come segretaria, purché rinunciasse alle scappatelle furtive. Cè chi sostiene che "la scienza gli offrì l'ordine in cui rifugiarsi dal caos della sua vita sentimentale". Nel 1919 avviene anche il divorzio da Mileva. Einstein, dopo decine di lettere spietate a Mileva, le scrisse "Col tempo ti accorgerai che è difficile trovare un ex marito migliore di me", e la lasciò in una disperata solitudine, dopo averle consegnato i soldi del Premio. indietro

16 Prima di Einstein Nel 1864 lo scienziato inglese James Clerk Maxwell scopre che le leggi che governano l'elettricità e il magnetismo sono così connesse tra loro da implicare l'esistenza di onde elettromagnetiche: una carica elettrica (ad esempio un elettrone) che oscilla nello spazio genera un campo elettromagnetico che si propaga sotto forma di onda. Maxwell tradusse in formule matematiche questi esperimenti. Il risultato fu di affermare l'esistenza di onde elettromagnetiche, ovvero l'esistenza di una legge unitaria per i fenomeni magnetici e elettrici. Dai suoi calcoli Maxwell dedusse l'esatta velocità delle onde elettromagnetiche, molto prossima ai km al secondo. Maxwell, misurata quella della luce precisamente grazie ad una serie di esperimenti, si avvide che erano identiche. Da questo fatto ne dedusse che la stessa luce era un onda elettromagnetica.

17 Il problema delletere A questo punto la fisica dell'epoca imponeva di trovare un elemento attraverso il quale le onde elettromagnetiche potessero propagarsi. Tutti i movimenti ondulatori dovevano propagarsi in qualche elemento: le onde del mare si propagavano attraverso l'acqua, le onde sonore attraverso l'aria. Visto che le onde elettromagnetiche non potevano propagarsi nel vuoto, si vide bene di teorizzare l'esistenza di una sostanza che permettesse di trasportare le onde elettromagnetiche: questo elemento fu chiamato etere luminifico, o semplicemente, etere (il termine fu preso in prestito da Aristotele)

18 Caratteristiche delletere Trasparenza Rigidità leggerezza Onnipresenza I fisici pensavano che ogni corpo che si muovesse nelluniverso producesse un vento (vento d'etere) che si muoveva alla stessa velocità del corpo in movimento ma con direzione opposta. Per esempio, la Terra si muove nell'universo a 30 Km/s perciò ci dovrebbe essere un vento a 30 Km/s che spazzerebbe la Terra in direzione opposta al proprio cammino. Ovviamente qualsiasi cosa è influenzata dal vento, compresa la luce.

19 Michelson e Morley Albert Abhram Michelson, decise di provare a misurare la velocità della luce per vedere se si trovava traccia del vento d'etere e si mise in contatto con Eduard Morley, uno scienziato dall'aspetto trasandato, che offrì il suo seminterrato per l'esperimento. Correva l'anno 1887.

20 Lesperimento Pertanto realizzarono unapparecchiatura, dettainterferometro di Michelson. Una volta effettuato l'esperimento non si trovò traccia di un vento d'etere. La velocità della luce era indipendente dalla direzione e di poco inferiore a Km/s. Vedi interferometro Esito esperimento

21 Linterferometro di Michelson L'apparecchio fu montato su una lastra ruotante. Per eliminare le vibrazioni la lastra veniva fatta galleggiare su mercurio liquido. Un sistema di specchi inviava il raggio di luce che percorreva due cammini di uguale lunghezza, ma posti in direzione rispettivamente parallela e perpendicolare al moto della Terra.

22 Il vento detere non esiste! Se cera un moto relativo rispetto alletere, allora i tempi di percorrenza dei due cammini sarebbero stati differenti e si sarebbero create particolari frange di interferenza. Lesperimento fu ripreso da Edward Williams Morley (1838 –1923) nel 1905, ma in nessun caso si registrò alcun moto relativo del nostro pianeta rispetto alletere

23 . La conclusione, che la velocità della luce è indipendente dal moto della sorgente e dell'osservatore, fu l'ipotesi da cui partì Einstein per sviluppare la teoria della relatività ristretta.

24 La Teoria della Relatività La teoria della relatività ristretta fu presentata da Einstein nel 1905, ma non fu subito presa sul serio per quanto era rivoluzionaria. Fino a quel tempo infatti gli uomini erano abituati a pensare negli schemi della gravità formulati da Newton e della fisica classica, il cui fondatore fu Galileo. Alla base di questa teoria sta infatti l'assoluto relativismo di vedere le cose. Un oggetto può essere definito per Einstein contemporaneamente in movimento o fermo a seconda del punto in cui lo si osserva. curiosità fisica classica

25 Einstein fu sempre certo della validità delle sue teorie, infatti quando gli fu riferito che era stato pubblicato un libro intitolato « Cento fisici contro Einstein », in cui si proponeva una teoria alternativa alla Relatività, egli rispose con arguzia: « Cento? Se fossi in errore, di fisico ne basterebbe uno solo »! indietro

26 Superamento della Fisica Classica Prendiamo per esempio un tavolo all'interno di un treno e prendiamo due uomini uno seduto al tavolo e uno accanto ai binari in cui passa il treno. Per il primo il tavolo sarà fermo in quanto nel tempo quest'ultimo occuperà sempre la stessa posizione mentre per il secondo il tavolo sarà in movimento. Nella relatività ristretta non si parla più di eventi prolungati nel tempo ma di eventi istantanei e tra cui si possono misurare gli intervalli. Infatti se si cambiano i sistemi di riferimento non solo può cambiare la definizione di stato o di moto di un oggetto ma anche le coordinate di quest'ultimo nei due diversi sistemi, ma tuttavia la distanza tra due oggetti resta sempre la stessa in qualunque sistema ci si trovi.

27 Il primo principio di relatività Anche grazie allesperimento di Michelson e Morley si era arrivati alla conclusione che lunica costante delluniverso è la velocità della luce nel vuoto che non si compone con nessun'altra velocità (né quella della sorgente che la emette né quella dell'osservatore che la riceve, rispetto ad un ipotetico "etere" nel quale la luce viaggerebbe) Questo diviene, in Relatività, uno dei due pilastri su cui si fonda la teoria intera: Il principio di "costanza della velocità della luce nel vuoto"

28 Il secondo principio della relatività Estensione del Principio di Relatività già formulato da Galileo per la Meccanica anche ai Fenomeni Elettromagnetici e, più in generale, a tutte le leggi fisiche sbarazzandosi del residuo meccanicista con cui si ipotizzava l'etere come una sorta di mezzo elastico, che riempiva lo "spazio assoluto" di Newton, attraverso il quale si sarebbe propagata la luce

29 Conseguenze della Relatività ristretta Le conseguenze di questi due semplici principi furono strabilianti e a prima vista incredibili. Anzitutto la demolizione dei concetti newtoniani di spazio e di tempo "assoluti: lo spazio e il tempo vengono misurati in maniera diversa a seconda della velocità con cui si muovono, subendo: una contrazione delle lunghezze una dilatazione del tempo Secondo Newton Dilatazione tempo Contrazione lunghezze

30 Secondo la cinematica "classica" le due velocità si sarebbero dovute sommare se la Terra "andava incontro" o "si allontanava" dalla sorgente luminosa sottrarre se "la rincorreva" o "veniva rincorsa" da essa V' = V ± v E questo avrebbe permesso di misurare la velocità con la quale la Terra si muoveva nello spazio assoluto di Newton, e cioè rispetto all'"etere" che lo riempiva e attraverso il quale la luce viaggiava. Ma l'esperimento aveva rivelato, con un margine di errore di misura molto accurato, come la velocità della luce nel vuoto fosse sempre identica indipendentemente dal moto della Terra. V' = V ± v

31 Dilatazione del tempo Einstein avanzò l'ipotesi rivoluzionaria che lo scorrere del tempo variasse a secondo dello stato di moto (o di quiete) dell'osservatore, dipendendo dalla velocità con la quale quest'ultimo si muoveva. Il tempo misurato da un orologio in movimento scorre più lentamente rispetto al tempo misurato da un orologio fermo. Il tempo misurato da una persona che corre rallenta, Questo rallentamento dello scorrere del tempo corrisponde a una dilatazione dei tempi, ossia degli intervalli di tempo misurati, per cui due eventi, contemporanei per un osservatore in quiete, non lo saranno più per un osservatore che si muova rispetto al primo. Argomento successivo Tempo relativo

32 Il concetto di tempo relativo è il primo che si scontra con la normale esperienza quotidiana, in cui il tempo sembrerebbe assoluto e le velocità indubbiamente relativa. In realtà gli effetti del rallentamento del tempo per i corpi in movimento valgono comunque anche a velocità più basse, solamente che gli effetti, seppur misurati e dimostrati, sono molto meno evidenti rispetto agli effetti misurabili su corpi viaggianti a velocità relativistiche. Un esempio: poniamo il fatto che un uomo in bicicletta (10 km/ora) e un altro che guidi una macchina (100 km/ora) vedano passare un treno che viaggi a 200 km/ora. All'uomo in bicicletta sembrerà che il treno vada più veloce rispetto a lui di quanto non lo sia per l'uomo in macchina. Questi vedrà il treno andare più lento di quanto non l'abbia visto il ciclista. Ma cosa succede quando la velocità del treno diventa assoluta anche rispetto al moto del ciclista e dell'autista? Essi vedono il treno muoversi alla stessa velocità, ne consegue che l'autista dovrà rallentare il suo tempo per "sincronizzarsi" col ciclista.

33 Lorologio a luce Ciascun osservatore non noterà alcun effetto sul "proprio" tempo, vale a dire per ciascuno di essi il tic- tac del "proprio" orologio batterà sempre con la consueta velocità; ma tanto maggiore sarà la velocità relativa dei due osservatori, tanto più lento apparirà marciare all'uno l'orologio dell'altro. Paradossalmente, al raggiungimento della velocità limite della luce, i due osservatori, in moto relativo, vedranno fermarsi l'uno l'orologio dell'altro, pur continuando a veder camminare regolarmente il "proprio" orologio. 123

34 Il paradosso dei gemelli Ci sono due gemelli, inizialmente nello stesso posto e dotati di due orologi uguali, sincronizzati. Uno dei due gemelli rimane a Terra, mentre l'altro parte per un viaggio interstellare a bordo di un'astronave, la cui velocità, molto elevata, pari a quella della luce. Al suo ritorno a Terra, l'orologio del gemello astronauta segna che son trascorsi 30 anni dalla partenza, mentre quello del suo gemello, rimasto a Terra, ne segnerà ben 50 dalla partenza dell'astronave.

35 Poiché nel veicolo spaziale, in movimento ad altissima velocità, tutti i fenomeni scorrono più lentamente, nell'ipotesi che gli orologi biologici (ad esempio, le pulsazioni ritmiche del cuore, i battiti del polso) si comportino come gli ordinari segnatempo, anche l'invecchiamento avverrà con un ritmo più lento. In altri termini, dopo avere fatto questo viaggio a velocità elevatissime, ritornando sulla Terra, l'astronauta ritroverà il fratello gemello più vecchio di lui di ben 20 anni! In questo caso, poiché il gemello astronauta non compie un moto uniforme, ma deve necessariamente accelerare e decelerare per effettuare l'andata e il ritorno, la situazione non è più simmetrica: l'astronauta avrà, in effetti, vissuto di meno rispetto al suo gemello rimasto a Terra.

36 Contrazione delle lunghezze Gli oggetti in movimento si accorciano nella direzione del moto. In pratica, un corpo che viaggi a velocità prossime a quella della luce tenderebbe a contrarsi fino a scomparire. Questa stupefacente conseguenza ricalca la relatività del tempo rispetto alla costante della velocità della luce: spazio e tempo sono correlati tra loro. Anche lo spazio risulta diverso per i diversi osservatori. All'aumentare della velocità, quindi, non solo si modifica la struttura del tempo, ma si modifica necessariamente anche la struttura dello spazio. Dunque all'aumentare della velocità di un corpo il tempo rallenta e lo spazio si contrae. I muoni

37 I Muoni I muoni, sono particelle prodotte nell'alta atmosfera dalla radiazione cosmica che giunge sulla terra. Esse decadono dopo una vita media, misurata da un osservatore ad esse solidale, di circa 2 microsecondi. Ciò significa che, nel loro riferimento, la maggior parte dei muoni non può percorrere più di 600 metri circa e quindi pochissimi dovrebbero arrivare sulla superficie terrestre. L'esperienza prova che invece ne arrivano molti più del previsto. Il motivo é che, dal nostro punto di vista sulla terra, essi hanno un tempo di dimezzamento molto più grande per effetto della dilatazione dei tempi, a causa della grande velocità, e quindi possono percorrere distanze molto grandi (la velocità, essendo prossima a quella della luce, rimane sempre la stessa). Dal loro punto di osservazione i muoni avranno invece percorso una distanza molto più breve per l'effetto della contrazione delle lunghezze. Il fenomeno è perfettamente spiegabile da parte di entrambi gli osservatori.

38 Terzo principio della relatività Uguaglianza tra massa ed energia E=mc² All'aumentare della velocità aumenta la massa dei corpi, all'approssimarsi della velocità della luce la massa di un corpo tende all'infinito, quindi, per spostarsi, avrebbe bisogno di una quantità infinita di energia, il che sarebbe impossibile. Per i tre principi fin qui esposti risulta che un corpo che viaggia alla velocità della luce si contrae talmente tanto da risultare invisibile e da non essere esteso nello spazio, che il suo tempo è talmente rallentato da essere immobile e che la sua massa è talmente grande da risultare infinita.

39 Fissione o Scissione nucleare Uno dei processi di trasformazione dei nuclei atomici è la fissione, o la scissione in due (o raramente tre) nuclei aventi massa simile. Ogni fissione è caratterizzata dalla liberazione di una quantità d'energia L'energia liberata è dovuta alla trasformazione di parte della massa del nucleo iniziale; infatti, i prodotti della reazione hanno una massa complessiva leggermente inferiore a quella del nucleo che è stato scisso. La parte mancante è liberata sotto forma d'energia, secondo la relazione di Einstein E = mc². Einstein e la guerra


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