Dall’etere alla relatività L’elettromagnetismo conduce ad un’estensione della meccanica Dall’etere alla relatività

Christiaan Huygens Per il primo assertore della teoria ondulatoria della luce, l’etere è una materia elastica, tenue, che compenetra tutto lo spazio compresa la materia. Lo spazio è pieno di particelle di etere molto piccole rispetto a quelle di aria Le particelle di etere sono molto dure ed elastiche Se si mettono in fila tante biglie dure a contatto tra loro, un urto sulla prima biglia provoca il moto in tutte le altre biglie seguenti La luce si propaga nel vuoto come il moto in una fila di biglie L’Aia 1629-1695

Augustin Jean Fresnel Per spiegare la propagazione della luce negli spazi interstellari a velocità elevatissime accettò l’esistenza dell’etere capace di attraversare anche il globo terrestre che trasferirebbe quindi parte della sua rotazione anche all’etere stesso. Questo trasferimento di velocità di rotazione venne chiamato Trascinamento parziale dell’etere 1788-1827

Hippolyte Fizeau Nel 1851 eseguì un raffinato esperimento mediante il quale ritenne di aver dimostrato il trascinamento parziale dell’etere da parte di corpi in movimento. Con lo stesso apparato sperimentale Fizeau fu in grado di misurare la velocità della luce. 1819-1896

James Clerk Maxwell Nel 1878 scrive per l’Enciclopedia Britannica: “Qualunque difficoltà possiamo avere nel formare un’idea consistente della costituzione dell’etere, non ci può essere dubbio che gli spazi interplanetari e interstellari non sono vuoti, ma sono occupati da una sostanza materiale o corpo, che è certamente il più grande e probabilmente il corpo più uniforme fra quelli di cui abbiamo qualche conoscenza” La sua teoria delle onde elettromagnetiche e la costanza della velocità della luce prevede che l’etere sia in assoluta quiete nell’Universo. 1831-1879

Conseguenze dell’idea di etere L’etere pensato da Maxwell assomiglia molto al reticolo o griglia del motore primo dello spazio aristotelico (causa prima nel principio di causa – effetto). In questa prospettiva l’etere non è altro che il sistema di riferimento in stato di quiete assoluta propugnato da Aristotele e demolito dal principio di relatività galileiano. Le equazioni di Maxwell sembrano dare ragione ad Aristotele A questo punto che ne facciamo del principio di relatività di Galileo e del concetto di assenza dello stato di quiete assoluta? Non è possibile buttarli a mare a cuor leggero perché tutta la meccanica di Newton si fonda su questi principi. 384 a.C. – 322 a.C.

I problemi non sono solo di natura filosofica Dalle equazioni di Maxwell si deduce che la velocità della luce è costante ed è pari a 300.000 Km/s. Il fatto che la velocità della luce non possa mai superare i 300.000 Km/s è in contrasto con le equazioni della relatività galileiana. Sia c = 300.000 Km/s la velocità della luce rispetto all’etere; sia v = 30 Km/s la velocità della Terra rispetto all’etere. Quando la luce e la Terra si muovono in verso opposto, un osservatore solidale con la terra deve misurare per la luce una velocità c’ = c + v. Se invece luce e terra si muovono nello stesso verso allora la velocità relativa della luce deve essere w = c – v.

Hendrik Lorentz Definisce l’etere come una sostanza molto particolare in quiete rispetto allo spazio assoluto e dotata di proprietà fisiche in accordo alle leggi dell’elettromagnetismo. Nella teoria di Lorentz lo spazio assoluto non coincide con il vuoto ma è un ente descrivibile mediante due grandezze fisiche, il vettore campo elettrico e il vettore campo magnetico. Gli elettroni avrebbero la funzione di intermediari etere-materia. Lorentz ha così una concezione corpuscolare della materia e continua dell’etere. La teoria di Lorentz ha il pregio di spiegare i risultati di Fizeau senza ricorrere al concetto di parziale trascinamento dell’etere. 1853-1928 Nobel per la Fisica 1902

Michelson e Morley Misero alla prova la teoria di Lorentz con un famoso esperimento condotto nel 1887. L’esperimento consiste nel misurare la velocità della luce in direzioni diverse rispetto al moto della terra. Un raggio luminoso proveniente dalla sorgente S viene diviso in due parti dallo specchio semiriflettente A, una parte continua nella direzione del moto terrestre, una parte nella direzione perpendicolare nella quale la velocità di trascinamento è nulla. Se la terra è effettivamente in moto rispetto all’etere allora i raggi longitudinali e trasversali vengono rivelati sulla lastra fotografica in D con un certo sfasamento.

Nessuno sfasamento! I risultati dell’esperimento di Michelson e Morley mettono in dubbio l’intera teoria dell’elettromagnetismo sicché, per porvi rimedio, Lorentz formula una rivoluzionaria ipotesi ad hoc: Tutti i corpi che si spostano nell’etere subiscono una contrazione nella direzione del moto: anche l’interferometro di Michelson subisce un accorciamento che va a compensare la diversa velocità della luce nei diversi percorsi all’interno dell’interferometro! In seguito, insieme a Poincarè, Lorentz aggiunge l’ipotesi di dilatazione del tempo a quella della contrazione delle lunchezze.

Trasformazioni di Lorentz Principio di Lorentz: “Lo spazio e il tempo devono essere misurati in modo differente a seconda che il sistema di riferimento sia in moto o in quiete” Sia O’x’ il riferimento in moto rispetto a Ox con velocità di trascinamento v; t il tempo misurato da O e t’ il tempo misurato da O’.

Trasformazioni di Galileo e di Lorentz

Simultaneità

Dilatazione dei tempi

Il paradosso dei gemelli

Contrazione delle lunghezze

Einstein e la relatività ristretta (1905) Einstein fondò la sua teoria della relatività speciale sul principio di Lorentz ma notò che esso per la sua validità non aveva bisogno dell’esistenza dell’etere …. Einstein sosteneva che un ente impossibile da osservare è come se non esistesse. Esperimenti per la rivelazione dell’etere furono condotti fino al 1930 quando l’idea fu finalmente del tutto abbandonata. 1879-1955 Nobel per la Fisica 1921

Il paradosso dei muoni

Il treno superveloce

Carica e campo

Dinamica relativistica La revisione dei concetti di spazio e tempo nella relatività ristretta impone una conseguente revisione di quantità di moto, forza ed energia. Un elettrone accelerato da una opportuna d.d.p. in meccanica classica potrebbe acquistare velocità superiori a quella della luce! La conservazione della quantità di moto nei sistemi isolati è valida anche nella teoria relativistica purchè per la quantità di moto si assuma la formula Ove u è la velocità della particella di massa m. Ma la massa in moto di una particella non coincide con la massa a riposo:

Energia relativistica

Massa ed energia

Particelle prive di massa a riposo E’ utile ricordare la seguente: Particelle con massa a riposo zero hanno mc^2 = 0 e quindi E = pc ovvero u = c: PARTICELLE CON MASSA A RIPOSO NULLA VIAGGIANO ALLA VELOCITA’ DELLA LUCE Hanno massa a riposo nulla i bosoni intermedi I fotoni (mediatori delle interazioni elettromagnetiche) I gluoni (mediatori delle interazioni forti tra i quark) i gravitoni (mediatori delle interazioni elettromagnetiche) I neutrini (?) (mediatori delle interazioni deboli)

Relatività generale

Massa e curvatura

Effetti previsti