I grandi mutamenti nella fisica tra 800 e 900

Transcript

1 I grandi mutamenti nella fisica tra 800 e 900 Giulio Peruzzi Dipartimento di Fisica e Astronomia Università di Padova Padova tra Fisica e Musica dal 600 ai nostri giorni G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15 Meccanica e forza di gravità (classica) Newton ( ) G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15

2 Meccanica e forza di gravità (classica) Principi della dinamica [F = m i a], compresa la definitiva formulazione del principio d inerzia. Formulazione della legge di gravitazione universale: F = G m g1m g2 r 2, dove m g = m i ( congettura Galileo). Principio di equivalenza, come dato d esperienza. Esiste una sola fisica che unifica la fisica celeste e terrestre. Sviluppi nel Settecento e nell Ottocento. Chiarificazione della relatività cosiddetta galileiana e delle sue conseguenze (per esempio la legge di somma delle velocità). Chiarificazione delle proprietà geometriche dello spazio e del tempo, del ruolo del principio d inerzia e del principio di relatività, e dei legami con le leggi di conservazione (simmetrie). G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15 Meccanica e forza di gravità (classica) Osservazioni ed esperimenti Tra il 1771 e il 1789, Henry Cavendish e Charles Augustin Coulomb scoprono che le forze tra cariche e magneti a riposo (elettrostatica e magnetostatica) seguono la stessa legge delle forze di attrazione gravitazionale. Conferme della gravitazione universale dalla scoperta di nuovi pianeti (Urano, William Herschel 1781; Nettuno, John Couch Adams, Urbain Le Verrier, Johann Gottfried Galle 1846). G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15

3 Incrinature della meccanica classica Termodinamica Termodinamica Primo principio della termodinamica ( ): Julius Robert Mayer, James Prescott Joule, Hermann L. F. von Helmholtz. Secondo principio della termodinamica e formulazione della nuova teoria: Sadi Carnot (1824), Rudolf Clausius (1850), William Thomson (1851). Come si concilia la direzionalità temporale dei processi naturali con la reversibilità delle leggi della meccanica classica? G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15 Incrinature della meccanica classica Elettromagnetismo (classico) Michael Faraday e James Clerk-Maxwell Linee di forza come embrioni del concetto di campo. Elettricità, magnetismo e ottica unificati nelle equazioni di Maxwell (1864) per il campo elettromagnetico. Una nuova costante di natura: la velocità della luce. Molti scienziati, tra cui Lorentz e Poincaré, si accorsero che le equazioni di Maxwell per i campi elettromagnetici non si conciliavano con la relatività galileiana. È più fondamentale la meccanica di Galileo-Newton o la teoria e.m.? G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15

4 Incrinature della meccanica classica Nuove scoperte rivoluzionarie a fine XIX secolo Nuove scoperte rivoluzionarie Spettroscopia (Gustav Robert Kirchhoff e Robert Wilhelm Bunsen, 1859) Raggi X (Wilhelm Conrad Röntgen, 1895) Radioattività (Antoine Henri Becquerel, 1896) Elettrone (Joseph John Thomson, 1897) G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15 2 dicembre / 15 Le teorie relativistiche di Einstein e la nascita della cosmologia Einstein ( ) G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo

5 Teorie relativistiche di Einstein La relatività ristretta Relatività ristretta ( Sull elettrodinamica dei corpi in movimento ): (a) tutte le leggi di natura restano invariate in forma nel passaggio da un sistema di riferimento inerziale a un altro; (b) la velocità della luce è una costante indipendentemente dallo stato di moto della sorgente. Elettromagnetismo più fondamentale della meccanica classica. Quest ultima perde le sue pretese universali e diviene un approssimazione utile nel caso di corpi in moto a velocità piccola rispetto a quella della luce. Muta la geometria dello spazio-tempo, ma il privilegio dei sistemi inerziali implica ancora che lo spazio-tempo si comporti come un palcoscenico che condiziona la descrizione degli eventi fisici senza esserne influenzato ( difetto epistemologico ). G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15 Teorie relativistiche di Einstein Dal difetto epistemologico della relatività ristretta alla relatività generale. La relatività galileiana e la relatività ristretta si basano sull ipotesi che, per formulare le leggi fisiche, i sistemi inerziali siano equivalenti tra loro e privilegiati rispetto ai sistemi in moto accelerato. Questo privilegio presuppone una misteriosa proprietà dello spazio-tempo: lo spazio tempo si comporta come un palcoscenico che condiziona la descrizione degli eventi fisici senza esserne influenzato. Quando Einstein si pose il problema di modificare la teoria newtoniana della gravitazione per renderla compatibile con la relatività ristretta, si accorse che era necessario generalizzare il postulato di relatività anche ai sistemi di riferimento in moto accelerato... ma i dati sperimentali che orientassero le ricerche di una nuova teoria della gravitazione erano pochi. G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15

6 Teorie relativistiche di Einstein Nel corso dell Ottocento si arrivò a stabilire che la precessione del perielio di Mercurio è 5600 secondi d arco ( 1, 57 gradi d arco) per secolo. I calcoli fatti dagli astronomi sulla base della teoria newtoniana davano conto solo di 5557 secondi d arco per secolo: ne mancavano all appello 43 secondi d arco. G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15 Teorie relativistiche di Einstein Come arrivò Einstein a formulare la relatività generale? Fu nel 1907 scrive Einstein nel manoscritto conservato alla Morgan Library di New York che ebbi il pensiero più felice della mia vita. Il campo gravitazionale ha solo un esistenza relativa [...]. In realtà per un osservatore che cada liberamente dal tetto di una casa non esiste alcun campo gravitazionale. Infatti, se l osservatore lascia cadere dei corpi, questi permangono in uno stato di quiete o di moto uniforme rispetto a lui [...]. L osservatore di conseguenza interpreta il proprio stato come uno stato di quiete. Grazie a quest idea, quella singolarissima legge sperimentale secondo cui, in un campo gravitazionale, tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione, veniva improvvisamente ad acquistare un significato fisico profondo. G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15

7 Teorie relativistiche di Einstein Relatività generale. Punto di partenza: la formulazione relativistica della legge di gravitazione universale di Newton. Necessario generalizzare il postulato di relatività anche ai sistemi di riferimento in moto accelerato. Supera il difetto epistemologico: la geometria dello spazio-tempo agisce sui moti della materia e dell energia e, a sua volta, è determinata dalla distribuzione della materia e dell energia. G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15 Teorie relativistiche di Einstein William Clifford, Il senso comune nelle scienze esatte, 1885 (postumo) G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15

8 La meccanica quantistica La meccanica quantistica La meccanica quantistica: per oggetti molto piccoli (dimensioni atomiche o sub-atomiche) non valgono più la meccanica classica e l elettromagnetismo classico Prima formulazione (meccanica delle matrici): Heisenberg, Born e Jordan, e indipendentemente Dirac Seconda formulazione (teoria ondulatoria): Schrödinger. G. Peruzzi (Dip. di Fisica e Astronomia) Fisica tra XIX e XX secolo 2 dicembre / 15