Elementi fondamentali del passaggio ‘800/’900 in Fisica

I CAPISALDI della MECCANICA CLASSICA Galileo(1564-1642)-Newton (1642-1727) ‘Le affezioni’ (aspetti misurabili di un fenomeno) ‘Le sensate esperienze’ (semplificazioni della realtà per vagliare una ipotesi) ‘Le matematiche dimostrazioni’ (le leggi matematiche che descrivono la realtà) Questi tre elementi costituiscono il metodo scientifico

GLI SVILUPPI: il meccanicismo come “ideologia della scienza” Il metodo scientifico si afferma in un campo particolare: lo studio del moto. Il metodo scientifico nel ‘700 tenderà poi ad invadere tutti i campi di studio del reale, in particolare: fenomeni elettrici (forza di Coulomb) fenomeni termici (teoria cinetica dei gas) Limiti: Riduzionismo: Dal semplice si vuole spiegare il complesso. Il tutto viene pensato come la somma delle parti Determinismo: Il mondo è ridotto ad una immensa macchina governata da leggi ed equazioni che hanno una sola soluzione.

LA FISICA dell’800: Concezione deterministica della realtà Pier Simon de Laplace (1729-1827) “Lo stato attuale del sistema della natura consegue evidentemente da quello che era all’istante precedente e se noi immaginassimo una intelligenza che ad un istante dato comprendesse tutte le relazioni tra le entità di questo universo, essa potrebbe conoscere le rispettive posizioni, i moti e le disposizioni generali di tutte quelle entità di qualunque istante del passato o del futuro”.

I SUCCESSI della FISICA dell’800: primi elementi di crisi della visione meccanicistica 1810-1820: la luce descritta quantitativamente come fenomeno ondulatorio (Young e Fresnel) 1820-1830: viene fondato l’elettromagnetismo (esperimento di Oersted, ricerche di Ampere e di Faraday. Anni Venti: nasce la scienza dei rapporti fra calore e produzione di lavoro, la termodinamica (Carnot e Klapeyron) le cui leggi sono dedotte dall’osservazione del funzionamento delle macchine termiche. Anni Quaranta: viene enunciato il principio di conservazione dell’energia (Mayer, Joule, Helmotz); valido per qualunque sistema fisico isolato. 1850-1870: il concetto di calore trova sua interpretazione definitiva nell’ambito di una descrizione corpuscolare e statistica (Clausius, Maxwell e Boltzmann). Anni settanta: fenomeni elettrici e magnetici vengono inquadrati nelle equazioni di Maxwell e nel campo; la luce, come radiazione elettromagnetica, inglobata nell’elettromagnetismo. Fine degli anni ottanta: Hertz ottiene per la prima volta onde elettromagnetiche da un circuito oscillante. 1895: Scoperta dei raggi catodici (Crookes, Perrin) 1895: Thomson e Millikan confermano sperimentalmente la natura corpuscolare dell’elettrone 1896: vengono scoperti i raggi X (Roetgen) e le emissioni radioattive (coniugi Curie). 1911: modello nucleare dell’atomo (Rutherford)

LA FISICA E’ FINITA? Nel 1871, in occasione dell’inaugurazione del Cavendish Laboratory di Cambridge, J.C.Maxwell affermava: “E’ opinione che entro pochi anni tutte le grandi costanti fisiche saranno state valutate e la sola cosa che resterà da fare agli scienziati sarà quella di raffinare la loro misura di un altro decimale.”

LA NATURA della LUCE: onda o corpuscolo? Nel XVII due scuole di pensiero predominanti: Teoria corpuscolare (Newton 1642-1727): “Possiamo immaginarla[la luce] come una moltitudine di corpuscoli incredibilmente piccoli e veloci, di diverse dimensioni che si sprigionano dai corpi luminosi a grande distanza l’uno dall’altro, ma tuttavia senza un sensibile intervallo di tempo, e vengono continuamente proiettati in avanti da un principio di movimento che all’inizio li accelera”. (reazione di Newton alla Royal Society, 1675) Teoria ondulatoria (Huygens 1596-1648): “..se oltre ciò, il passaggio della luce richiede tempo, il che non tarderemo a vedere, ne conseguirà che questo movimento impresso alla materia interposta sarà progressivo e pertanto si propagherà come fa il suono per superfici sferiche e per onde; le chiamo onde per la loro somiglianza con quelle che vediamo formarsi nell’acqua allorchè vi si getta un sasso[..]”.(C.Huygens, “trattato sulla luce”,1690)

LUCE e ETERE: quale modello per la luce? 1801: Thomas Young, realizza un esperimento che gli consente di osservare un fenomeno di interferenza con la luce (tipicamente ondulatorio) Nuove domande irrisolte: Se la luce ha una natura ondulatoria, che tipo di onda è? Poiché la luce si propaga nello spazio cosmico, vuoto di materia, qual è il mezzo di propagazione?

LA GRANDE SINTESI MAXWELLIANA nascita dell’elettromagnetismo I fenomeni elettrici e quelli magnetici non sono che due aspetti di uno stesso ente fisico: IL CAMPO ELETTROMAGNETICO

LA LUCE E’ UN’ONDA ELETTROMAGNETICA Velocità della luce nel vuoto c=3•108 m/s =300.000 km/sec

TRIONFI dalle FONDAMENTA MALSICURE L’ottimismo di fine ‘800 porta con sé sottili contraddizioni fra previsioni teoriche e dati sperimentali, che i concetti della fisica classica non riescono ad eliminare.

UN OGGETTO MISTERIOSO: l’ETERE Era stato denominato etere un ipotetico mezzo attraverso il quale si propagano le onde elettromagnetiche (e quindi la luce) I fisici dell’800 cercano di attribuirgli proprietà meccaniche Nel 1887 Michelson e Morley realizzano un esperimento cruciale che sancisce l’abbandono della teoria dell’etere.

LA CRISI di FINE OTTOCENTO Problemi insoluti nell’ambito delle teorie classiche innescano una profonda revisione dei concetti fisici. Nascono nuove domande: Domande sull’etere → definizione della natura dello spazio e del tempo Domande sull’interazione tra radiazione e materia→ teoria dei quanti nuove teorizzazioni: La relatività di Einstein La meccanica quantistica

La teoria della relatività ristretta (1905) Revisione dei concetti di spazio e tempo della meccanica Newtoniana Ipotesi: Il principio di relatività galileiano vale per tutti i fenomeni fisici La velocità della luce nel vuoto è la stessa in tutti i sistemi di riferimento

Dalle trasformazioni di Galileo a quelle di Lorentz

CONSEGUENZE: nuova definizione dello spazio e del tempo Trasformazioni di Lorentz invece di quelle di Galileo Le misure dei tempi e delle lunghezze dipendono dal sistema di riferimento La velocità della luce è una velocità limite nell’universo La massa inerziale non è costante ma dipende dalla velocità La massa e l’energia di un corpo sono legate dalla legge E=mc2

Il PARADOSSO dei GEMELLI

LA MECCANICA QUANTISTICA le contraddizioni della fisica dell’800 Nasce come affronto problematico dell’interazione radiazione-materia Richiede la definizione di un quadro teorico diverso da quello classico per lo studio della materia a livello atomico e subatomico Viene messo in crisi il determinismo delle leggi fisiche soprattutto nello studio del comportamento di una singola particella

NUOVI PROBLEMI Discontinuità degli spettri di emissione La radiazione del corpo nero Meccanismo di emissione e assorbimento di energia da parte di corpi solidi Effetto fotoelettrico: emissione di elettroni da parte di sostanze solide investite da luce Il modello dell’atomo : instabilità dell’atomo di Rutherford

IL QUANTO di AZIONE Planck(1858-1947) Problema: Come spiegare la radiazione del corpo nero: cavità che assorbe completamente qualsiasi radiazione elettromagnetica ed emette in relazione alla sua temperatura. Max Plank spiega il fenomeno ipotizzando una trasmissione dell’energia in modo discontinuo; suppose che gli atomi riscaldati si comportino come tanti oscillatori che irradiano energia non con continuità, ma a piccoli pacchetti, che lui chiama quanti, e che sono la più piccola quantità di energia che un oscillatore di data frequenza può scambiare con l’ambiente che lo circonda. Egli introduce la formula E=hν, dove v è la frequenza dell’oscillatore e h è una costante che prende il nome di costante di Planck e ha valore 6,626 x 10-34 Js. Il nuovo modello: Interpreta l’effetto fotoelettrico Descrive la struttura dell’atomo

L’EFFETTO FOTOELETTRICO Lo studio del fenomeno fu affrontato da Einstein nel 1905. Si tratta dell’emissione di elettroni da parte di una superficie metallica quando questa è illuminata da una luce con “adeguate caratteristiche”. L’energia elettromagnetica della luce viene ceduta sotto forma di energia di movimento agli elettroni che riescono a “fuggire” dal metallo a cui appartengono. 3 caratteristiche: Al di sotto di una certa frequenza, che cambia da metallo a metallo, la luce non riesce a provocare l’espulsione degli elettroni neanche ad altissime intensità; L’energia degli elettroni emessi non dipende dall’intensità della luce ma dalla frequenza di quest’ultima; L’aumento dell’intensità della radiazione provoca solo un aumento del flusso dei fotoelettroni. Questo fatto non si spiega con la teoria di Maxwell!

UNA SPIEGAZIONE INTUITIVA: l’energia è quantizzata L’ipotesi di Einstein (Nobel nel 1921) si fonda sulla convinzione che quando un raggio luminoso si propaga da una sorgente puntiforme l’energia non si distribuisce in modo continuo ma per “quanti” (quantità minime ed indivisibili di energia) direttamente proporzionali alla frequenza della radiazione: E=h•ν dove h=6,63•10-34Js L’effetto fotoelettrico può quindi essere così interpretato: Un quanto di luce viene assorbito dall’elettrone. Se l’energia assorbita è sufficiente a vincere l’attrazione elettrostatica che lo lega al metallo, l’elettrone viene emesso. Se aumenta l’intensità della radiazione, cioè il n° di quanti, aumenta il numero degli elettroni emesso.

DAL QUANTO di LUCE al FOTONE Effetto Compton I quanti di luce sono vere e proprie particelle capaci di spostare oggetti come farebbe una palla da biliardo. Questa particella fu battezzata nel 1926 con il termine FOTONE dal chimico-fisico Gilbert Lewis.

STRUTTURA dell’ATOMO Rutherford (1871-1987) La struttura dell’atomo consiste di: Carica centrale positiva NUCLEO (entro una sfera di raggio 3•10-12cm) Carica negativa ELETTRONI in movimento attorno al nucleo di moto circolare (R=10-8cm)

INSTABILITA’ dell’ATOMO L’elettrone ruotando con frequenza elevata dovrebbe perdere costantemente energia cadendo sul nucleo in una frazione di secondo. Conseguenza: LA MATERIA COLLASSA!

L’ ATOMO di BOHR Ipotesi di Bohr (1885-1962, Nobel nel 1922) Nel 1913 Bohr propone il primo modello quantistico dell'atomo di idrogeno. Il modello prevede che gli elettroni siano disposti intorno al nucleo su orbite stabili, corrispondenti a livelli energetici ben definiti, e che l'emissione o l'assorbimento di radiazione elettromagnetica si verifichi a seguito di transizioni elettroniche tra livelli quantici diversi.

SVILUPPO della MECCANICA QUANTISTICA Le ipotesi ad-hoc dei quanti forniscono: Descrizione del corpo nero Interpretazione effetto fotoelettrico Modello stabile dell’atomo di idrogeno Introducendo: Formalismo della meccanica quantistica, basato sul concetto di funzione d’onda: Sparisce il concetto classico di particella (posizioni e velocità definite) Le leggi che regolano il comportamento delle particelle subatomiche sono probabilistiche e non deterministiche Rimane aperto il problema del Dualismo onda-corpuscolo (anche le particelle possono comportarsi come onde)

PRINCIPIO di INDETERMINAZIONE Heisemberg(1901-1976) Classicamente posizione e velocità caratterizzano il movimento di una particella. Secondo Heisenberg ad un certo livello queste quantità sarebbero dovute rimanere sempre indefinite. Tale limitazione prende il nome di principio di indeterminazione: Maggiore è l'accuratezza nel determinare la posizione di una particella, maggiore è l'indeterminazione sulla sua velocità. Egli considera che per misurare una particella bisogna perturbare il suo stato. L'incertezza nella misurazione non deriva dall'accuratezza nell'uso degli strumenti di misurazione, ma è una proprietà ontologica della materia

Congresso Solvay, Bruxelles 1927, 18 partecipanti

DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO De Broglie (Nobel 1929) La luce si può pensare composta di particelle, ma la probabilità che i fotoni si trovino in un determinato punto ad un determinato istante è data da una funzione di tipo ondulatorio (funzione d’onda). 1924: ipotesi ondulatoria di Luis De Broglie: le particelle di materia (elettroni), in determinate condizioni, manifestano proprietà ondulatorie

LA FISICA all’INIZIO del ‘900: Sintesi La natura si comporta in modo ambiguo: gli elettroni sono sia particelle che onde, la luce è fatta di onde che sono anche particelle Non possiamo simultaneamente con certezza misurare posizione e velocità di una particella La meccanica quantistica ha carattere probabilistico e “funziona” per il mondo subnucleare Rimane aperto l’interrogativo sulla natura vera della realtà a livello microscopico

CAOS e COMPLESSITA’ la natura è fatta così! Nuovi modelli (previsioni metereologiche, gli ecosistemi, il funzionamento del cervello). Cadono i due cardini su cui era basata fisica meccanicistica: La predicibilità e la semplificabilità. Non si può ricostruire il fenomeno complesso sulla base delle singole componenti. La previsione è ancora possibile? Si, non più sulla base dei dati iniziali ma attraverso una continua introduzione di dati.

CONCLUSIONE L’immagine del mondo fisico che abbiamo oggi è molto più vasta di quella di due secoli fa. Domande fondamentali: il puzzle che andiamo a comporre per costruire il quadro della realtà diventerà un giorno completo? Il tutto è più della somma delle parti o no? “Ma per quanto importanti siano i risultati ottenuti e per quanto vicina sia la meta sospirata, rimane sempre un abisso, incolmabile dal punto di vista della scienza esatta, tra il mondo reale della fenomenologia e il mondo reale della metafisica. E colui al quale la buona fortuna ha permesso di cooperare all’erezione dell’edificio della scienza esatta, troverà la sua soddisfazione e intima felicità, con il nostro grande poeta Goethe, nella coscienza di aver esplorato l’esplorabile e di aver venerato silenziosamente l’inesplorabile” (Max Planck)