Filosofia delle Scienze Naturali. Anno accademico 2016/2017

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1 Filosofia delle Scienze Naturali Anno accademico 2016/2017

2 Introduzione alla filosofia della fisica I semestre 2 moduli da 6 crediti ciascuno A. Definizione, introduzione storica e concettuale, alcuni problemi B. Teoria della relatività e meccanica quantistica Martedì e Mercoledì ore aula 8, Giovedì ore aula 9 Lezione fino a metà Dicembre Eventuali recuperi fino al Gennaio Esame orale 2

3 Introduzione alla filosofia della fisica I semestre 2 moduli da 6 crediti ciascuno A. Definizione, introduzione storica e concettuale, alcuni problemi B. Teoria della relatività e meccanica quantistica Martedì e Mercoledì ore aula 8, Giovedì ore aula 9 Lezione fino a metà Dicembre Eventuali recuperi fino al Gennaio Esame orale 3

4 Possibilità di presentazioni orali e tesine! Ricevimento: mercoledì matteo.morganti@uniroma3.it Tenere d occhio Sezione news Sezione docente Sezione risorse Testi: M. Morganti, Introduzione alla Filosofia della Fisica, Carocci, - sezz. 4.5 e P. Pecere (a cura di), Il Libro della Natura, Carocci, - volume II, capitoli 5, 7, 9 (consigliati anche 4, 6 e 8) B. Russell, ABC della Relatività, TEA - tutto G. Ghirardi, Un Occhiata alle Carte di Dio, Il Saggiatore capitoli 1-4, 8-10 Altri testi consigliati: Born La sintesi einsteiniana, AA.VV. Filosofia della Fisica, Mondadori 4

5 Piano di lavoro: La teoria della relatività, origini Le caratteristiche formali e concettuali della relatività speciale Le caratteristiche formali e concettuali della relatività generale Le conseguenze metafisiche della teoria della relatività Spazio e tempo Modelli cosmologici (e metafisici) La meccanica quantistica, origini Il formalismo della meccanica quantistica Le caratteristiche e le conseguenze concettuali della meccanica quantistica Misure, correlazioni a distanza, indeterminazione, probabilità, località/separabilità/contestualità Le interpretazioni Le conseguenze metafisiche della meccanica quantistica Oggetti, proprietà etc. Altro (per es., gravità quantistica e tempo come illusione) 5

6 La teoria della relatività XIX secolo: studio dei fenomeni ottici ed elettromagnetici Teoria dell etere come mezzo meccanico di propagazione Desiderata teorici: Polarizzazione e onde trasversali e non longitudinali Alta rigidità che però non influenza corpi come pianeti etc. Molteplicità di teorie, con tentativi anche notevoli McCullough (1839) Limiti nel potere esplicativo e nell unificazione dei fenomeni 6

7 Sviluppo dell elettromagnetismo Idea di rendere fondante il campo elettromagnetico, riducendo anche materia, inerzia etc. a fenomeni elettromagnetici Wien e Kaufmann Riferimento ai recenti risultati relativi all unità minima di carica e alla struttura interna degli atomi Non covarianza delle leggi dell elettromagnetismo per trasformazioni di Galilei c assume valori diversi in sistemi di riferimento diversi Necessità di verifiche sperimentali dell ipotesi Tentativo di sfruttare l effetto Doppler Impossibilità pratica Idea di coefficiente di trascinamento e vento d etere 7

8 Esperimento cruciale di Michelson e Morley ( ) Per la prima volta si può cercare di osservare effetti del secondo ordine rispetto a v/c (cioè analoghi a v 2 /c 2 ) Con v (presunta) velocità della Terra rispetto all etere e n effetto da rivelare, si ha v= (nc 2 /2L) Risultato nullo : in qualsiasi configurazione sperimentale, n=0, v=0 Reazione ad hoc (?) Fitzgerald e Lorentz e la contrazione dei corpi 8

9 Spiegazione causale basata sull idea della fondamentalità dell elettromagnetismo La variazione delle forze intermolecolari causata dal moto relativo all etere causa una modifica reale della lunghezza dei corpi, che si contraggono (come i bracci dell interferometro) E di conseguenza una dilatazione dei tempi (il tempo impiegato dalla luce per percorrere una certa distanza L è sempre L/c) Spiegazione per certi versi naturale, ma tale da presupporre Cfr. idea di Russell (cap. 4) di deducibilità dai fenomeni Un sistema di riferimento privilegiato che spezza la simmetria L impossibilità in linea di principio di verificare l esistenza di tale sistema di riferimento a livello empirico 9

10 Alternativa: una spiegazione geometrico-strutturale Non si nega la realtà degli effetti, ma la loro oggettività dal punto di vista di un ipotetico punto di vista privilegiato o corretto Occorre abbandonare l idea di contrazioni e dilatazioni in linea di principio osservabili da tutti (cioè da un ipotetico punto di vista di Dio) Si tratta piuttosto di effetti dovuti alla struttura fondamentale dello spazio e del tempo (e delle lunghezze derivate da spazio e tempo) Questo implica la necessità di ridefinire le regole di traduzione Le equazioni di trasformazione devono includere un riferimento esplicito a ciò che appare costante, cioè c (Si ricordi la non covarianza delle leggi dell elettromagnetismo rispetto alle trasformazioni di Galilei) 10

11 Dalle trasformazioni di Galileo a quelle di Lorentz Questo permette di integrare elettromagnetismo e meccanica Preservando il principio di relatività Senza bisogno di un sistema di riferimento privilegiato simmetria degli effetti osservati Senza bisogno di postulare un effetto causale universale (Reichenbach) 11

12 Due postulati della teoria: 1) Principio di relatività (applicando le trasformazioni di Lorentz) 2) Invarianza della velocità della luce (nel vuoto) Implica che t = t (dove il primo sistema di riferimento contiene un orologio in quiete ed è in movimento rispetto al secondo) E che l = l/ (dove il primo sistema è in movimento rispetto al secondo, che contiene un regolo in quiete) 12

13 Si relativizza a sistemi di riferimento la nozione di simultaneità Perché? In che senso? Si immaginino una scala S e un garage G, dove S, in quiete rispetto a G, è più larga di G Possiamo far muovere S a grande velocità rispetto a G, facendolo contrarre: S entra in G Ma abbiamo detto che le contrazioni sono relative a sistemi di riferimento e solo dovute al moto relativo - simmetria Quindi il fenomeno di contrazione è simmetrico, e dal punto di vista di S è G che si muove velocemente e si contrae, quindi S non entra in G! C è un paradosso? Occorre scegliere una delle due alternative (recuperando l idea di sistema di riferimento privilegiato)? No 13

14 Sistema di riferimento del garage Sistema di riferimento della scala Ciò che intendiamo come entrare in è la corrispondenza fra un istante di tempo e la posizione di due punti (estremi di S) con altri due (punti interni a G) Ma in realtà occorre considerare una successione di eventi, e questa non è univocamente determinata Dal punto di vista di S si dà una successione tale che i due estremi non sono mai contemporaneamente in G (tempo e lunghezza propri e coordinati) 14

15 Analogo ad altri esempi Il treno di Einstein La sequenza temporale di due o più eventi e/o la loro distanza sono determinati in modi diversi da sistemi di riferimento in moto relativo La simmetria degli effetti e il fatto che il valore di c sia fisso implica che tale differenza possa essere ricostruita sulla base della teoria 15

16 Analogo ad altri esempi Il treno di Einstein La sequenza temporale di due o più eventi e/o la loro distanza sono determinati in modi diversi da sistemi di riferimento in moto relativo La simmetria degli effetti e il fatto che il valore di c sia fisso implica che tale differenza possa essere ricostruita sulla base della teoria Qualsiasi corpo che emette luce rimane al centro delle onde che si espandono, a prescindere dal suo stato di moto (Russell, p. 29) 16

17 A proposito di c: La costanza della velocità della luce (nel vuoto) può a questo punto essere mostrata formalmente Nuovo teorema di composizione della velocità Le velocità non si compongono nel modo classico, cioè semplicemente additivo, ma calcolando i loro differenziali sulla base delle trasformazioni di Lorentz Una velocità è una variazione di posizione nei tre assi spaziali nell unità di tempo Per due sistemi S e S con velocità relativa V ognuno di questi 3+1 elementi si può calcolare trasformando ciascuna coordinata in S in una in S Nel caso di una sola componente spaziale rilevante, si ottiene: v =dx /dt = (v-v)dt/ (1-(vV/c 2 ))dt=(v-v)/(1-(vv/c 2 )) Per v=c, anche v =c 17

18 Rappresentazione nei diagrammi di Minkowski: 18

19 Rappresentazione nei diagrammi di Minkowski: Di nuovo la scala e il garage AB è la scala dal punto di vista del garage, AC la scala dal punto di vista della scala stessa (il blu indica il sistema di riferimento del garage) Si relativizza ciò che è simultaneo per x, ma anche lo stadio presente di x Quindi diventa relativa la distinzione fra passato, presente e futuro 19

20 Notate che: Una nozione condivisa di simultaneità e un presente cosmico si potrebbero ristabilire se ci fosse un sistema di riferimento privilegiato La teoria non dice che tale sistema di riferimento non c è, ma che non c è una base per affermare che ci sia Importante per la discussione della natura metafisica del tempo (prossimamente) Si relativizza ciò che è simultaneo per x, ma anche lo stadio presente di x Quindi diventa relativa la distinzione fra passato, presente e futuro 20

21 Conseguenze: Unificazione di spazio e tempo I come invariante Essenzialmente si usa il teorema di Pitagora Nel caso classico bidimensionale: d 12 = (x 1 -x 2 ) 2 +(y 1 -y 2 ) 2 Nel caso classico tridimensionale: d 12 = (x 1 -x 2 ) 2 +(y 1 -y 2 ) 2 +(z 1 -z 2 ) 2 Nel caso classico minkowskiano quadridimensionale: d 12 = -c 2 (t 1 -t 2 ) 2 +(x 1 -x 2 ) 2 +(y 1 -y 2 ) 2 +(z 1 -z 2 ) 2 e, semplificando: I= c 2 t 2 - x 2 (Cfr. Russell, pp differenze!) 21

22 Idea di cono di luce Gli intervalli possono essere di tre tipi: TIPO LUCE: I 2 =0, è quello fra due eventi collegati da un raggio di luce TIPO TEMPO: I 2 >0, è quello fra due eventi collegati da segnali più lenti della luce TIPO SPAZIO: I 2 <0, è quello fra due eventi che potrebbero essere collegati da segnali più veloci della luce (che però sono esclusi in linea di principio(?)) Da notare che: Se I 2 è maggiore di, minore di o uguale a 0 in un sistema di riferimento, allora lo è in tutti Gli intervalli di tipo tempo ammettono la coincidenza spaziale (!) (Provate con B a t=5 e x=1 e due sistemi in moto relativo di 0.2c) Gli intervalli di tipo spazio possono separare eventi che risultano simultanei in alcuni sistemi di riferimento 22

23 Altri scenari: 23

24 Altri scenari: T V Se V viaggia a 0.6c e arriva a una galassia lontana 3 anni luce e poi torna, T calcolerà un viaggio di 10 anni Ma allora, considerando la partenza e l arrivo di V sulla galassia, I 2 = =16 (quindi I=4 anni luce) Ma dal punto di vista di V, lui è in quiete, quindi 4 anni luce sono la variazione temporale Di fatto, al ritorno, per V sono passati solo 8 anni! 24

25 Altri scenari: T V Come si spiega il tutto in un contesto relativistico? Perché in questo caso non sembra esserci simmetria?? Occorre considerare le accelerazioni! Non nel senso che la dilatazione temporale è causata dalle accelerazioni Piuttosto, si rompe la relazione di traducibilità : dove ci sarebbe simmetria, V e T non coincidono; dove si incontrano, le loro traiettorie non hanno mantenuto la simmetria per trasformazioni di Lorentz 25

26 Altri scenari: T V Come si spiega il tutto in un contesto relativistico? Perché in questo caso non sembra esserci simmetria?? 26