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SENSO E PERCORSO DELLA MOSTRA I GIOCHI DI EINSTEIN Dipartimento di Fisica dellUniversità di Trento Museo Tridentino di Scienze Naturali (a cura di Silvia.

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1 SENSO E PERCORSO DELLA MOSTRA I GIOCHI DI EINSTEIN Dipartimento di Fisica dellUniversità di Trento Museo Tridentino di Scienze Naturali (a cura di Silvia Defrancesco)

2 PERCHÈ LA MOSTRA La mostra è un evento per celebrare il 2005, Anno Internazionale della Fisica. Vuole provare a dare risposta alle motivazioni espresse dallONU

3 MOTIVAZIONI ESPRESSE DALLONU la fisica fornisce una base significativa per lo sviluppo della comprensione della natura; GLI OGGETTI IN MOSTRA CERCANO DI PRESENTARE LO STRETTO LEGAME FRA FENOMENO NATURALE E TEORIA

4 la fisica e le sue applicazioni sono alla base di molti progressi tecnologici; MOLTE POSTAZIONI SONO CORREDATE DA IMMAGINI E/O OGGETTI CHE METTONO IN RILIEVO LA RICADUTA TECNOLOGICA DELLE SCOPERTE FISICHE

5 linsegnamento della fisica fornisce alle donne e agli uomini gli strumenti per costruire linfrastruttura scientifica essenziale per lo sviluppo. SONO STATI STUDIATI DEI PERCORSI DA PROPORRE AD OGNI ORDINE DI SCUOLA

6 NEL 2005 SI CELEBRANO I 100 ANNI DALLA PUBBLICAZIONE DI TRE (ma erano 5)ARTICOLI DI EINSTEIN MOTO BROWNIANO EFFETTO FOTOELETTRICO RELATIVITÀ RISTRETTA

7 IL PERSONAGGIO PRINCIPALE È EINSTEIN, MA LA MOSTRA CERCA DI PRESENTARE LO SVILUPPO DEL SUO PENSIERO SCIENTIFICO NATURALMENTE CENTRANDO LATTENZIONE SUI SUOI CONTRIBUTI DEL 1905

8 PERCHÈ (QUASI) SOLAMENTE LA SCIENZA? PARLARE DI EINSTEIN IN MODO ESAURIENTE SIGNIFICHEREBBE DEDICARE UNA MOSTRA AD OGNI RISVOLTO DELLA SUA PERSONALITA (i suoi rapporti con la scuola, la religione, la società, gli hobbies,la guerra, la famiglia….)

9 IN QUESTA MOSTRA, LA GUIDA E LASCIATA ALLE PAROLE CHE EINSTEIN SCRISSE NELLA SUA AUTOBIOGRAFIA SCIENTIFICA, REDATTA A 67 ANNI (E PUBBLICATA NEL 1949)

10 LA MOSTRA DEVE ESSERE RACCONTATA COME UNA STORIA: LA STORIA DELLEVOLUZIONE DELLA FISICA, VISTA ATTRAVERSO LEVOLUZIONE DEL PENSIERO SCIENTIFICO DI EINSTEIN AIUTARSI CON LE CITAZIONI POSTE SUI MURI! LE POSTAZIONI E LE VARIE SEZIONI VANNO QUINDI COLLEGATE FRA LORO

11 COME SI ARTICOLA IL PERCORSO SEI SEZIONI: IL TRENINO DI GALILEO : SI ANTICIPANO I GRANDI TEMI : I SISTEMI DI RIFERIMENTO E (QUALCHE) PROPRIETÀ DELLA LUCE I GIOCHI DI EINSTEIN LA MATEMATICA; LA MECCANICA CLASSICA ONDE E LUCE LOTTICA CLASSICA, IL DIBATITO SULLA NATURA DELLA LUCE ELETTRICITÀ E MAGNETISMO LA SINTESI DI MAXWELL IL MONDO ATOMICO LESISTENZA DEGLI ATOMI; LEFFETTO FOTOELETTRICO; LA TEORIA DEI QUANTI; MODELLI ATOMICI E MOLECOLARI SPAZIO, TEMPO E RELATIVITÀ LA RELATIVITÀ RISTRETTA E GENERALE: ALCUNE IDEE

12 I GIOCHI DI EINSTEIN - IL PERCORSO NARRATIVO - I CONTENUTI

13 Le postazioni nel cortile servono per introdurre il concetto di sistema di riferimento inerziale e non inerziale, per introdurre il tema della relatività dei moti e la spiegazione galileiana. Saranno poi da ricordare più avanti quando si parlerà della relatività di Einstein Il tunnel aiuta a divertire. Introduce anche lidea di onda polarizzata, che servirà poi per aiutare a sconfiggere lipotesi dellesistenza delletere.

14 La storia inizia nella prima stanza. 1)Come si fa a diventare scienziati: essere curiosi, amare la matematica 2)Cosa si sapeva (cosa sapeva Einstein) alla fine dellottocento sul moto dei corpi grandi:tutto era spiegato dalle poche leggi elaborate da Newton. Si deve far notare che tutti i giochi esposti, benché così diversi,sono spiegabili con la meccanica classica. Non è pensabile di spiegarli uno per uno (uno a richiesta, o a scelta della guida..)

15 La storia prosegue nella seconda stanza:oltre al moto dei corpi la fisica cerca di spiegare la natura della luce in base al suo comportamento. Molti fenomeni vengono spiegati pensando alla luce come a un flusso di particelle. Ma la luce dà luogo anche a fenomeni tipici delle onde, come la diffrazione (prima si mostra la diffrazione con onde più familiari, le onde dacqua, poi la diffrazione con la luce). ONDA O PARTICELLA? Inoltre: la campana a vuoto permette di convincersi che la luce non ha bisogno di un mezzo per propagarsi

16 Terza stanza, prima sezione Ma ci sono altri fenomeni da spiegare: fenomeni elettrici e magnetici La teoria di Maxwell racchiude in sole quattro leggi lelettricità, il magnetismo e lottica. Alla fine dellottocento la luce è unonda elettromagnetica, al pari della radiazione infrarossa, delle microonde, delle onde radio, dei raggi X….

17 Terza stanza, seconda sezione VA TUTTO BENE? NO! SI OSSERVANO COMPORTAMENTI STRANI: LEMISSIONE DELLA RADIAZIONE DEI CORPI NERI; LEMISSIONE DI SPETTRI A RIGHE, LEFFETTO FOTOELETTRICO. Nessuna di queste osservazioni è spiegabile con la fisica classica (quella prima di Einstein) …PER NON PARLARE DELL IPOTESI DELLESISTENZA DEGLI ATOMI…

18 EINSTEIN SI INSERISCE IN QUESTO CONTESTO: GIUSTIFICA LESISTENZA DEGLI ATOMI CON LA SPIEGAZIONE DEL MOTO BROWNIANO GIUSTIFICA LEFFETTO FOTOELETTRICO MUTUANDO LIDEA DI PLANCK DEI QUANTI DI LUCE SI APRE LA VIA DELLA QUANTIZZAZIONE DELLE GRANDEZZE FISICHE E DELLIDEA DELLA DUALITÀ ONDA-CORPUSCOLO Per studiare i corpi molto molto piccoli (~ miliardesimo di cm)ci vuole una nuova fisica. La fisica quantistica.

19 IL MONDO ATOMICO Il mio scopo precipuo era di trovare fatti che confermassero, per quanto era possibile,lesistenza di atomi di determinate dimensioni finite. … scoprii che, in base alla teoria atomica, doveva esserci un movimento di particelle microscopiche sospese, accessibili allosservazione,senza sapere che le osservazioni relative ai moti browniani erano già da lungo tempo note. verso la fine del secolo,…., si aprì una seconda crisi di fondamentale importanza, la cui gravità fu subito riconosciuta grazie alle ricerche di Max Planck sulla radiazione termica (1900). Planck ha introdotto nella fisica un nuovo elemento ipotetico: lipotesi dei quanti di luce. Ma che cosè dunque la luce? È forse unonda oppure un getto di corpuscoli? Questa duplice natura della radiazione (e dei corpuscoli materiali) è una delle proprietà principali della realtà fisica Ceravamo assuefatti a considerare gli elettroni come corpuscoli … ora dovremmo ammettere che essi possono comportarsi come onde. Questa fu la nuova e coraggiosa idea di de Broglie

20 Quarta stanza ALTRI PROBLEMI DELLA FISICA CLASSICA: LA TEORIA DI MAXWELL NON SODDISFA LA RELATIVITÀ GALILEIANA:SE ESEGUO ESPERIMENTI DI ELTTROMAGNETISMO SUL TRENO E A TERRA,NON RIESCO A CONFRONTARE I RISULTATI… INOLTRE CÈ ANCORA IL PROBLEMA DELLETERE… NASCE LA RELATIVITÀ RISTRETTA

21 CONSEGUENZE: SPAZIO E TEMPO SONO ENTITÀ STRETTAMENTE COLLEGATE CADE IL CONCETTO DI SIMULTANEITÀ CONTRAZIONE LUNGHEZZE DILATAZIONE TEMPI EQUIVALENZA MASSA-ENERGIA

22 LA RELATIVITÀ RISTRETTA ASSEGNA ANCORA AI SISTEMI DI RIFERIMENTO INERZIALI UN RUOLO PRIVILEGIATO. SECONDO EINSTEIN CIÒ NON PUÒ ESSERE: LE LEGGI DELLFISICA DEVONO ESSERE LE STESSE IN TUTTI I SISTEMI DI RIFERIMENTO: NASCE LA RELATIVITÀ GENERALE

23 I SISTEMI DI RIFERIMENTO ACCELERATI POSSONO ESSERE PENSATI COME REGIONI DI SPAZIO IN CUI AGISCE LA GRAVITÀ. ANCHE IN QUESTI SISTEMI VALGONO LE LEGGI DELLA FISICA. CONSEGUENZA DELLA TEORIA: LA GRAVITÀ (LA PRESENZA DI MASSE) DISTORCE LO SPAZIO-TEMPO SI DEVE USARE UNA NUOVA GEOMETRIA

24 La relatività ristretta introduce una modifica della legge newtoniana del moto del punto, che consiste nel considerare la velocità della luce nel vuoto come la velocità limite.. nellambito della teoria della relatività speciale non cera posto per la gravitazione Allora mi venne in mente …. una ulteriore generalizzazione dei concetti di spazio e di tempo Secondo la teoria della relatività non cè differenza essenziale fra massa ed energia. Lenergia possiede massa e la massa rappresenta energia

25 CONCLUSIONE: QUAL È LA TEORIA FISICA GIUSTA? È EVIDENTE CHE LA FISICA È IN CONTINUA EVOLUZIONE E MAI SI PUÒ CONCLUDERE DI AVERE UNA TEORIA FINALE. TUTTAVIA: -OGNI NUOVA TEORIA DEVE SPIEGARE UN NUMERO DI FATTI SEMPRE MAGGIORE - OGNI TEORIA HA UN SUO CAMPO DI VALIDITÀ

26 LA MECCANICA DI NEWTON È VALIDA SE LE VELOCITÀ SONO PICCOLE (rispetto alla velocità della luce) LA RELATIVITÀ RISTRETTA È UN CASO LIMITE DELLA RELATIVITÀ GENERALE QUANDO SIA ASSENTE IL CAMPO GRAVITAZIONALE LA MECCANICA QUANTISTICA VA APPLICATA QUANDO LE DIEMENSIONI DELLE PARTICELLE SONO ESTREMAMENTE PICCOLE.

27 I GIOCHI DI EINSTEIN –LA FILOSOFIA 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 Alletà di 12 anni provai una nuova meraviglia di natura completamente diversa; e fu leggendo un libretto sulla geometria piana euclidea, capitatomi fra le mani al principio di un anno scolastico. Cerano delle asserzioni, ad esempio quella che le tre altezze di un triangolo si intersecano in un sol punto, che-pur non essendo affatto evidenti- potevano tuttavia essere dimostrate con tanta certezza da eliminare qualsiasi dubbio Nonostante il rigoglio delle ricerche particolari, in materia di principi predominava una rigidezza dogmatica: in origine (se origine vi fu) Dio creò le leggi del moto di Newton insieme con le masse e le forze necessarie. Questo è tutto…Ciò che il secolo XIX riuscì a fare basandosi solo su questo, ….non poteva non suscitare lammirazione di ogni persona intelligente

28 LA MERAVIGLIA Questo è laspetto che loperatore deve tenere costantemente presente Esiste una passione per la comprensione proprio come esiste una passione per la musica…senza di essa non ci sarebbero né la matematica né le altre scienze (Sci. Am, 1950)

29 LA MATEMATICA Anche il ruolo della matematica è centrale: sia per il fascino esercitato su Einstein, sia per la funzione esercitata da questa disciplina sulle varie teorie fisiche. Si pensi al calcolo differenziale, alla statistica…. e Einstein nel 1912: Mi sto ora occupando dei problemi della gravità e credo che, con laiuto di un matematico(Grossmann) … riuscirò a venire a capo di tutte le difficoltà. Ma una cosa è certa: che in tutta la mia vita non ho mai faticato tanto ; e che mi sono imbevuto di un grande rispetto per la matematica, le cui parti più sottili, nella mia innocenza,avevo fino ad ora riguardato come un lusso superfluo.(lettera a Sommerfeld)

30 Ancora Einstein nellautobiografia: Il fatto che trascurassi in parte le matematiche dipese …. anche da questa strana esperienza:mi accorsi, cioè, che le matematiche si dividevano in numerosi rami, ciascuno dei quali poteva assorbire facilmente il breve tempo che ci è concesso di vivere. … da studente non capivo bene che la possibilità di conoscere più profondamente i principi fondamentali della fisica è legata a metodi matematici più complicati

31 LA MECCANICA DI NEWTON: IL SUCCESSO DELLA TEORIA E I DUBBI DI EINSTEIN (e di altri scienziati): lo spazio assoluto, il tempo assoluto, lazione a distanza A causa del successo quasi miracoloso del sistema newtoniano, le generazioni successive di fisici si abituarono allidea di azione a distanza. Ogni dubbio fu sepolto per molto tempo a venire. (Sc. Am.1950)

32 ONDE E LUCE lincorporazione dellottica nella rappresentazione meccanica del mondo non poteva non far sorgere seri dubbi. Ma qual è il mezzo attraverso il quale si propaga la luce e quali sono le sue proprietà meccaniche? Se la luce doveva essere interpretata come un movimento ondulatorio in un corpo elastico (etere) questultimo doveva essere un mezzo che permeava ogni cosa… Questo etere doveva condurre unesistenza da fantasma accanto al resto della materia, poiché sembrava non offrire alcuna resistenza al moto dei corpi ponderabili

33 Anche nel caso dei fenomeni riguardanti lottica, la teoria della luce vista come onda ha successo: si spiegano la riflessione,la rifrazione, linterferenza, la diffrazione. Rimane il DUBBIO sul mezzo in cui si propagano le onde: ESISTE LETERE? COME DEVE ESSERE AFFINCHÈ POSSA PERMETTERE ALLE ONDE POLARIZZATE DI ATTRAVERSARLO?

34 ELETTRICITÀ E MAGNETISMO Al tempo in cui ero studente, largomento più affascinante era la teoria di Maxwell. Ciò che la faceva sembrare rivoluzionaria era il fatto che assumeva, come grandezze fondamentali, non più le forze a distanza, ma i campi. Lincorporazione dellottica nella teoria dellelettromagnetismo, …., tutto ciò era come una rivelazione.

35 Il fascino di una teoria sta anche nella sua capacità di unificare fenomeni o altre teorie QUESTO VALE PER LA MECCANICA … Ciò che faceva più impressione sullo studente non era tanto la costruzione della meccanica come scienza a sé, o la soluzione di problemi complicati, quanto le conquiste della meccanica in campi che apparentemente non avevano nulla a che fare con essa (Autobiografia scientifica,1949) (…come la teoria cinetica dei gas) UNIFICAZIONE DELLA FISICA

36 … PER LA TEORIA DI MAXWELL … Dopo i tentativi (falliti) di incorporare lottica nella meccanica, la teoria di Maxwell riesce nellintento di unificare ottica, elettricità e magnetismo. Questo inserimento dellottica nella teoria delle.m. rappresenta uno dei maggiori trionfi nello sforzo verso lunificazione dei fondamenti della fisica; Maxwell raggiunse questa unificazione …. molto prima che fosse convalidata dal lavoro sperimentale di Hertz.

37 … PER LA RELATIVITÀ … La teoria della relatività ristretta ha consentito progressi apprezzabili: ha riconciliato meccanica ed elettrodinamica… (Idee e problemi della relatività,1923) Una volta giustificata lintroduzione del principio ristretto di relatività, ogni mente portata alla generalizzazione sentirà la tentazione di azzardare il passo verso il prncipio generale di relatività (Relatività:esposizione divulgativa,1917/50)

38 LUNIFICAZIONE DELLA FISICA RIMANE ILSOGNO DELLA VITA DELLO SCIENZIATO EINSTEIN Per il momento, dobbiamo ammettere di non possedere una base teorica generale per la fisica, che possa essere riguardata come il suo fondamento logico (da: I fondamenti della fisica teorica 1940)

39 … una ragione per elaborare nuove teorie.. sta nello sforzo di unificazione e semplificazione dei fondamenti della teoria nel suo insieme (Sci.Am.1950) Una teoria è tanto più convincente quanto più semplici sono le premesse, quanto più varie sono le cose che collega, quanto più esteso è il suo campo di applicazione. Per questo la termodinamica classica mi fece unimpressione così profonda (Autobiografia scientifica,1949) La fisica costituisce un sistema logico di pensiero in evoluzione…Levoluzione procede nella direzione di una crescente semplicità dei fondamenti logici (Fisica e realtà,1936) SEMPLICITÀ: un altro aspetto fondamentale di una teoria

40 PER RIASSUMERE ALCUNE PAROLE CHIAVE RELATIVE AL METODO DELLA RICERCA SCIENTIFICA DI EINSTEIN SONO: LA MERAVIGLIA LA MATEMATICA IL DUBBIO, IL CONFRONTO CON LESPERIENZA IL POTERE UNIFICANTE LA SEMPLICITÀ Ogni tipologia di visitatore (classi di ogni ordine di scuola, pubblico generico) può apprezzare e comprendere i punti di cui sopra

41 ED ORA: BUON LAVORO A TUTTI!


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