I fondamenti della fisica del Novecento e le prospettive future Istituto Svizzero di Pedagogia per la Formazione Professionale Docente: Marco Cagnotti
Obiettivi 01 Acquisire una visione d’insieme sulla fisica del Novecento. Comprendere i concetti fondamentali alla base della Relatività e della Meccanica Quantistica. Comprendere la relazione fra le due teorie e le prospettive aperte da un’eventuale Teoria del Tutto. Riconoscere l’influenza delle scoperte in fisica sulla cultura umana. Saper leggere un articolo divulgativo sulla fisica moderna.
Le grandi teorie della fisica del Novecento 02 RR MQ RG 1905 1900-1930 1916 TQC 1940-1960 ToE? XXI secolo
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 03 Unificazione di elettricità e magnetismo. Scoperta della radiazione elettromagnetica. La velocità è c, quindi la luce è radiazione elettromagnetica. c è una costante (c = 300.000 km/s). XIX secolo J.C. Maxwell
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 04 Che cosa accadrebbe a un osservatore a cavalcioni di un raggio di luce? La luce non può rimanere ferma. XIX secolo A. Einstein PARADOSSO!
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 05 Il principio di relatività Le leggi fisiche, quali che siano, devono essere assolutamente identiche per tutti gli osservatori in moto inerziale. (INTUITIVO) Il principio di costanza della velocità della luce La luce possiede la velocità c per tutti gli osservatori in moto inerziale. (CONTROINTUITIVO) 1905, Albert Einstein: la relatività ristretta
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 06 Ma… la velocità è il rapporto fra “distanza” e “durata”. VANNO RIVISTI I CONCETTI DI SPAZIO E DI TEMPO “D’ora in poi il tempo e lo spazio da soli diventeranno pallide ombre, e solo una loro unione manterrà la sua indipendenza.” (H. Minkowski)
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 07 Che cos’è il Tempo? Per 2.500 anni i filosofi si sono interrogati su quest’argomento. Definizione operativa IL TEMPO È QUELLA GRANDEZZA FISICA… …CHE SI MISURA CON UN OROLOGIO
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 08 Un esempio di orologio: l’orologio a luce.
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 09 L’effetto del moto inerziale su un orologio a luce.
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 10 Una conclusione sconcertante: L’OROLOGIO IN MOTO RITARDA RISPETTO A QUELLO FERMO Importante: ciò è vero per qualsiasi orologio, compreso il corpo umano! IL TEMPO SCORRE PIÙ LENTAMENTE IN UN SISTEMA DI RIFERIMENTO IN MOTO
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 11 Ma sarà vero? Le verifiche sperimentali. A v = 0,995 c la vita dei muoni si allunga di 10 volte. Gli aerei in volo.
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 12 Ma allora chi si muove davvero? ATTENZIONE ALLA SIMMETRIA! Il paradosso dei gemelli e la sua spiegazione.
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 13 Gli effetti del moto sullo spazio. UN OGGETTO IN MOVIMENTO SI ACCORCIA NELLA DIREZIONE DEL MOTO
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 14 Gli effetti del moto sulla massa. UN OGGETTO IN MOVIMENTO AUMENTA LA PROPRIA MASSA
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 15 Un po’ di matematica. Dilatazione dei tempi Contrazione delle lunghezze Aumento delle masse
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 16 Ma… non ci sono solo lo spazio e il tempo! E = m c2 del nostro tempo Un’icona
La teoria della Relatività Ristretta La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 17 In conclusione… CAMBIA RADICALMENTE LA NOSTRA VISIONE DEL TEMPO E DELLO SPAZIO, CHE NON SONO PIÙ STRUTTURE RIGIDE E OGGETTIVE MA ENTITÀ DIPENDENTI DAL MOTO RELATIVO DEGLI OSSERVATORI (Ma Einstein preferiva chiamarla teoria dell’Invarianza…) TEORIA DELLA RELATIVITÀ
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 18 La sua importanza: è una legge universale! La teoria della gravitazione. XVIII secolo I. Newton
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 19 I problemi della gravitazione newtoniana. La forza agisce a distanza “È inconcepibile che la materia bruta e inanimata possa (…) agire e influire su altra materia senza reciproco contatto. (…) La gravità deve necessariamente essere causata da un agente il quale agisca in modo costante secondo certe leggi; ma se questo agente sia materiale o immateriale è questione che lascio decidere ai lettori.” (I. Newton) È incompatibile con la Relatività Ristretta La forza gravitazionale agisce istantaneamente.
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 20 La più felice intuizione di Einstein: studiare il moto accelerato.
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 20 Il Principio di Equivalenza Gli effetti di un’accelerazione sono indistinguibili da quelli di un campo gravitazionale uniforme. Tutti gli osservatori, quale che sia il loro stato di moto, possono affermare di essere stazionari, a patto che includano un opportuno campo gravitazionale nella descrizione del proprio ambiente. La più felice intuizione di Einstein: studiare il moto accelerato.
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 21 La misura del perimetro è diversa per i due osservatori. p’ > 2pR Un caso particolare di moto accelerato: il moto circolare uniforme.
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 22 La spiegazione di Einstein: p = 2pR vale solo su una superficie piana.
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 23 Conseguenze: LA GEOMETRIA PIANA NON È VALIDA PER UN OSSERVATORE IN MOTO ACCELERATO LA GEOMETRIA PIANA NON È VALIDA PER UN OSSERVATORE IN UN CAMPO GRAVITAZIONALE
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 24 Conclusione: UN CAMPO GRAVITAZIONALE INCURVA LO SPAZIO… …E ANCHE IL TEMPO!
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 25 Una metafora: la membrana di gomma 2-dimensionale. Lo spaziotempo deformato Lo spaziotempo piatto
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 26 Conseguenza Si risolvono due problemi: la trasmissione istantanea la trasmissione a distanza NON È PIÙ NECESSARIO POSTULARE UNA FORZA GRAVITAZIONALE
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 27 Osservazioni sulla metafora Non esiste una gravità esterna che “tira verso il basso”. La curvatura dello spaziotempo è 3-dimensionale.
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 28 La precessione del perielio di Mercurio. Ma sarà vero? Le verifiche sperimentali. La curvatura della traiettoria della luce.
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 29 Un caso estremo: il buco nero.
La teoria della Relatività Generale Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 30 Un po’ di matematica. Le equazioni di Einstein
Conclusione 31 Teorie, campi di applicazione e costanti universali Relatività Ristretta Relatività Generale Velocità prossime a c Grandi distorsioni dello spaziotempo c = 3 x 10 8 m/s G = 6,7 x 10 -11 N.m2.kg-2