Relatività Ristretta e Meccanica Quantistica: alcuni esperimenti cruciali Lezione 1 Genova, 12,13,19,20 Gennaio 2016 Prof. Marco Pallavicini Università di Genova Dipartimento di Fisica Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Piano del Corso Parte 1 Alcuni esperimenti chiave verso la Relatività Ristretta e la Meccanica Quantistica Prof. Marco Pallavicini - 8 ore Parte 2 Introduzione alla Meccanica Quantistica Prof. Camillo Imbimbo - 8 ore Parte 3 Introduzione alla Relatività Ristretta Prof. Giovanni Ridolfi - 8 ore Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 2 /57
Parte 1 - Il percorso Lezione 1 La natura della luce: l avvento della Relatività Ristretta e della Meccanica Quantistica Lezione 2 La termodinamica della radiazione. Il corpo nero e l ipotesi di Planck Lezione 3 Emissione e assorbimento di luce da parte della materia. La natura non classica degli atomi Lezione 4 Alcune applicazioni della Relatività e della Meccanica Quantistica: il GPS, l effetto Compton e il Laser Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 3 /57
Lezione 4 Alcuni esempi e applicazioni Il GPS Relatività e Meccanica Quantistica al lavoro: l effetto Compton Il laser Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 4 /57
Scattering Compton Dimostra la natura quantistica del fotone e al contempo il suo comportamento relativistico Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 5 /57
Relatività: un anticipo Le lezioni del Prof. Ridolfi mostreranno che: In Relatività Ristretta sono ancora ben definiti i concetti di energia e quantità di moto che restano quantità conservate negli urti Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 6 /57
Relatività: un anticipo Le lezioni del Prof. Ridolfi mostreranno che: In Relatività Ristretta sono ancora ben definiti i concetti di energia e quantità di moto che restano quantità conservate negli urti Rispetto a quelle Newtoniane, sono però funzioni diverse della velocità Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 7 /57
Relatività: un anticipo Le lezioni del Prof. Ridolfi mostreranno che: In Relatività Ristretta sono ancora ben definiti i concetti di energia e quantità di moto che restano quantità conservate negli urti Rispetto a quelle Newtoniane, sono però funzioni diverse della velocità ENERGIA E = mc 2 = mc2 q 1 v 2 c 2 A RIPOSO E = mc 2 Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 8 /57
Relatività: un anticipo Le lezioni del Prof. Ridolfi mostreranno che: In Relatività Ristretta sono ancora ben definiti i concetti di energia e quantità di moto che restano quantità conservate negli urti Rispetto a quelle Newtoniane, sono però funzioni diverse della velocità ENERGIA E = mc 2 = mc2 q 1 v 2 c 2 A RIPOSO E = mc 2 QUANTITA di MOTO ~p = m~v = q m ~v 1 v 2 c 2 Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 9 /57
Relatività: un anticipo Le lezioni del Prof. Ridolfi mostreranno che: In Relatività Ristretta sono ancora ben definiti i concetti di energia e quantità di moto che restano quantità conservate negli urti Rispetto a quelle Newtoniane, sono però funzioni diverse della velocità ENERGIA E = mc 2 = q mc2 1 v 2 c 2 A RIPOSO E = mc 2 QUANTITA di MOTO ~p = m~v = q m ~v 1 v 2 c 2 E = p ~p 2 + m 2 SE m=0 E = ~p v = c Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 10/57
Calcolo cinematico Si tratta il fotone come una particella di massa 0 e energia hν L elettrone come una particella relativistica di massa m e ENERGIA h + m e c 2 = h 0 + m e c 2 MOMENTO ~q = ~q 0 + ~p e ~q ~q 0 ~p e 0 alla lavagna = h m e c (1 cos ) Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 11/57
Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation E un processo quantistico in cui gli atomi di un mezzo (spesso un gas ma esistono anche Laser a stato solido) emettono luce coerente Vocabolario Light: spesso il Laser è nel visibile ma esistono a micro-onde (MASER), infrarosso, UV e anche a raggi X (poco noti perché spesso segretati) Amplification: quando un atomo eccitato vede un fotone dell energia uguale alla transizione decade emettendo un fotone identico a quello in arrivo (Stimulated Emission) I fotoni sono tutti in perfetta fase e hanno la stessa direzione e energia Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 12/57
Principio di funzionamento Assorbimento Emissione Emissione spontanea stimolata Mezzo Amplificante cavità ottica (specchio) pompaggio Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 13/57
Un esempio semplificato Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 14/57
Esempi CD Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Laser CO2 a Infrarossi per Taglio Metalli Marco Pallavicini - Università di Genova 15 /57
Nano-Laser per Telecomunicazioni in Fibra Ottica Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 16 /57
Esempi Laser CO2 a Livermore USA 1014 W Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 17 /57
GPS e Relatività Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 18/57
GPS: triangolazione Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 19/57
Semplice in linea di principio Se vedo N satelliti k=1 N al tempo t significa che: ricevo N informazioni di tempo (t k è l ora esatta sul satellite k) ricevo N vettori posizione (la coordinata assoluta del k-esimo satellite al tempo t k Il mio ricevitore deve risolvere le N equazioni: ~x ~x k = c(t t k ) e trovare: (~x, t) Se N>3 la soluzione è unica e la precisione cresce se N è maggiore Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 20/57
Non così semplice A) I satelliti si muovono e l orologio sul satellite va più piano B) I satelliti sono a 20.180 km, circa 20180/6373=3.16 volte il raggio terrestre C) La Terra ruota. Il sistema non è inerziale. Questi tre effetti comportano delle rilevantissime correzioni relativistiche legate sia alla Relatività Ristretta sia alla Relatività Generale Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 21/57
A) Calcolo alla lavagna B) Calcolo alla Lavagna Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 22/57
Grazie Corso di Fisica Moderna - Esperimenti Marco Pallavicini - Università di Genova 23/57