I fondamenti della fisica del Novecento e le prospettive future Istituto Svizzero di Pedagogia per...
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della fisica del della fisica del Novecento Novecento e le prospettive e le prospettive future future Istituto Svizzero di Pedagogia Istituto Svizzero di Pedagogia per la Formazione Professionale per la Formazione Professionale Docente: Marco Cagnotti Docente: Marco Cagnotti
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I fondamentiI fondamentidella fisica del Novecentodella fisica del Novecento
e le prospettive futuree le prospettive future
Istituto Svizzero di PedagogiaIstituto Svizzero di Pedagogiaper la Formazione Professionaleper la Formazione Professionale
Docente: Marco CagnottiDocente: Marco Cagnotti
ObiettiviObiettivi Acquisire una visione d’insieme sulla fisica del Acquisire una visione d’insieme sulla fisica del
Novecento.Novecento. Comprendere i concetti fondamentali alla base della Comprendere i concetti fondamentali alla base della
Relatività e della Meccanica Quantistica.Relatività e della Meccanica Quantistica. Comprendere la relazione fra le due teorie e le Comprendere la relazione fra le due teorie e le
prospettive aperte da un’eventuale Teoria del Tutto.prospettive aperte da un’eventuale Teoria del Tutto. Riconoscere l’influenza delle scoperte in fisica sulla Riconoscere l’influenza delle scoperte in fisica sulla
cultura umana.cultura umana. Saper leggere un articolo divulgativo sulla fisica Saper leggere un articolo divulgativo sulla fisica
moderna.moderna.
01
Le grandi teorie dellaLe grandi teorie dellafisica del Novecentofisica del Novecento
RRRR 1916191619051905 RGRG1900-19301900-1930 MQMQ
1940-19601940-1960 TQCTQC
ToE?ToE?
02
XXI secoloXXI secolo
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
XIX secoloXIX secoloJ.C. MaxwellJ.C. Maxwell
03
La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
Unificazione di elettricitàUnificazione di elettricitàe magnetismo.e magnetismo.
Scoperta della radiazioneScoperta della radiazioneelettromagnetica.elettromagnetica.
La velocità è c, quindi la luceLa velocità è c, quindi la luceè radiazione elettromagnetica.è radiazione elettromagnetica.
c è una costante (c = 300.000 km/s).c è una costante (c = 300.000 km/s).
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
XIX secoloXIX secoloA. EinsteinA. Einstein
04
PARADOSSO!PARADOSSO!
La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
Che cosa accadrebbeChe cosa accadrebbea un osservatore a cavalcionia un osservatore a cavalcionidi un raggio di luce?di un raggio di luce?
La luce non può rimanere ferma.La luce non può rimanere ferma.
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
1905, Albert Einstein: la relatività1905, Albert Einstein: la relativitàristrettaristretta
05
La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
– Il principio di relativitàIl principio di relativitàLe leggi fisiche, quali che siano, devonoLe leggi fisiche, quali che siano, devono
essere assolutamente identiche per tuttiessere assolutamente identiche per tuttigli osservatori in moto inerziale.gli osservatori in moto inerziale.(INTUITIVO)(INTUITIVO)
– Il principio di costanza della velocitàIl principio di costanza della velocitàdella lucedella luce
La luce possiede la velocità c per tuttiLa luce possiede la velocità c per tuttigli osservatori in moto inerziale.gli osservatori in moto inerziale.(CONTROINTUITIVO)(CONTROINTUITIVO)
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Ma… la velocità è il rapporto fra “distanza” e “durata”.Ma… la velocità è il rapporto fra “distanza” e “durata”.
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
VANNO RIVISTI I CONCETTIVANNO RIVISTI I CONCETTIDI SPAZIO E DI TEMPODI SPAZIO E DI TEMPO
““D’ora in poi il tempo e lo spazio da soli diventeranno pallide D’ora in poi il tempo e lo spazio da soli diventeranno pallide ombre, e solo una loro unione manterrà la sua indipendenza.”ombre, e solo una loro unione manterrà la sua indipendenza.”(H. Minkowski)(H. Minkowski)
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Che cos’è il Tempo? Per 2.500 anniChe cos’è il Tempo? Per 2.500 annii filosofi si sono interrogati sui filosofi si sono interrogati suquest’argomento.quest’argomento.
07
La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
Definizione operativaDefinizione operativa
IL TEMPO È QUELLA IL TEMPO È QUELLA GRANDEZZA FISICA…GRANDEZZA FISICA…
……CHE SI MISURACHE SI MISURACON UN OROLOGIOCON UN OROLOGIO
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Un esempio di orologio: l’orologio a luce.Un esempio di orologio: l’orologio a luce.
08
La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
L’effetto del moto inerziale su un orologio a luce.L’effetto del moto inerziale su un orologio a luce.
09
La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Una conclusione sconcertante:Una conclusione sconcertante:
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
L’OROLOGIO IN MOTO RITARDAL’OROLOGIO IN MOTO RITARDARISPETTO A QUELLO FERMORISPETTO A QUELLO FERMO
Importante: ciò è vero per qualsiasiImportante: ciò è vero per qualsiasiorologio, orologio, compreso il corpo umanocompreso il corpo umano!!
IL TEMPO SCORRE PIÙ LENTAMENTEIL TEMPO SCORRE PIÙ LENTAMENTEIN UN SISTEMA DI RIFERIMENTO IN MOTOIN UN SISTEMA DI RIFERIMENTO IN MOTO
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Ma sarà vero? Le verifiche sperimentali.Ma sarà vero? Le verifiche sperimentali.– A v = 0,995 c la vita dei muoni si allunga di 10 volte.A v = 0,995 c la vita dei muoni si allunga di 10 volte.– Gli aerei in volo.Gli aerei in volo.
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Ma allora chi si muove davvero?Ma allora chi si muove davvero?
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
Il paradosso dei gemelliIl paradosso dei gemellie la sua spiegazione.e la sua spiegazione.
ATTENZIONEATTENZIONEALLA SIMMETRIA!ALLA SIMMETRIA!
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Gli effetti del moto sullo spazio.Gli effetti del moto sullo spazio.
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
UN OGGETTO IN MOVIMENTO SI ACCORCIAUN OGGETTO IN MOVIMENTO SI ACCORCIANELLA DIREZIONE DEL MOTONELLA DIREZIONE DEL MOTO
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Gli effetti del moto sulla massa.Gli effetti del moto sulla massa.
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
UN OGGETTO IN MOVIMENTOUN OGGETTO IN MOVIMENTOAUMENTA LA PROPRIA MASSAAUMENTA LA PROPRIA MASSA
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Un po’ di matematica.Un po’ di matematica.
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
l = l0 1 - v2
c2
– Dilatazione dei tempiDilatazione dei tempi
– Contrazione delle lunghezzeContrazione delle lunghezze
– Aumento delle masseAumento delle masse
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
Ma… non ci sono solo lo spazio e il tempo!Ma… non ci sono solo lo spazio e il tempo!
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
E = m cE = m c22
Un’icona
Un’icona
del nostro
tempo
del nostro
tempo
La teoria della La teoria della Relatività RistrettaRelatività Ristretta
In conclusione…In conclusione…
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La rivoluzione dello spaziotempoLa rivoluzione dello spaziotempo
CAMBIA RADICALMENTE LA NOSTRA VISIONECAMBIA RADICALMENTE LA NOSTRA VISIONEDEL TEMPO E DELLO SPAZIO, CHE NON SONO PIÙDEL TEMPO E DELLO SPAZIO, CHE NON SONO PIÙ
STRUTTURE RIGIDE E OGGETTIVESTRUTTURE RIGIDE E OGGETTIVEMA ENTITÀ DIPENDENTI DAL MOTO RELATIVO MA ENTITÀ DIPENDENTI DAL MOTO RELATIVO
DEGLI OSSERVATORIDEGLI OSSERVATORI
TEORIA DELLA TEORIA DELLA RELATIVITÀRELATIVITÀ
(Ma Einstein preferiva (Ma Einstein preferiva chiamarla teoria chiamarla teoria dell’Invarianza…)dell’Invarianza…)
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
XVIII secoloXVIII secoloI. NewtonI. Newton
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
La teoria della gravitazione.La teoria della gravitazione.
La sua importanza:La sua importanza:è una legge universale!è una legge universale!
F = G m1 m2
R2
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
I problemi della gravitazione newtoniana.I problemi della gravitazione newtoniana.– La forza agisce a distanzaLa forza agisce a distanza
““È inconcepibile che la materia bruta e inanimata possa (…) È inconcepibile che la materia bruta e inanimata possa (…) agire e influire su altra materia senza reciproco contatto. (…) agire e influire su altra materia senza reciproco contatto. (…) La gravità deve necessariamente essere causata da un agente La gravità deve necessariamente essere causata da un agente il quale agisca in modo costante secondo certe leggi; ma se il quale agisca in modo costante secondo certe leggi; ma se questo agente sia materiale o immateriale è questione che questo agente sia materiale o immateriale è questione che lascio decidere ai lettori.”lascio decidere ai lettori.”(I. Newton)(I. Newton)
– È incompatibile con la Relatività RistrettaÈ incompatibile con la Relatività RistrettaLa forza gravitazionale agisce istantaneamente.La forza gravitazionale agisce istantaneamente.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
La più felice intuizione di Einstein: studiare il moto La più felice intuizione di Einstein: studiare il moto accelerato.accelerato.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
La più felice intuizione di Einstein: studiare il moto La più felice intuizione di Einstein: studiare il moto accelerato.accelerato.
20
Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
Tutti gli osservatori, quale che siaTutti gli osservatori, quale che siail loro stato di moto, possonoil loro stato di moto, possonoaffermare di essere stazionari, aaffermare di essere stazionari, apatto che includano un opportunopatto che includano un opportunocampo gravitazionale nellacampo gravitazionale nelladescrizione del proprio ambiente.descrizione del proprio ambiente.
Il Principio di EquivalenzaIl Principio di EquivalenzaGli effetti di un’accelerazione sonoGli effetti di un’accelerazione sono
indistinguibili da quelli di unindistinguibili da quelli di uncampo gravitazionale uniforme.campo gravitazionale uniforme.
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
Un caso particolare di moto accelerato:Un caso particolare di moto accelerato:il moto circolare uniforme.il moto circolare uniforme.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
La misura del perimetroLa misura del perimetroè diversa per i dueè diversa per i dueosservatori.osservatori.
p’ > 2p’ > 2RR
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
La spiegazione di Einstein:La spiegazione di Einstein:p = 2p = 2R vale solo su una superficie piana.R vale solo su una superficie piana.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
Conseguenze:Conseguenze:
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
LA GEOMETRIA PIANA NON È VALIDALA GEOMETRIA PIANA NON È VALIDAPER UN OSSERVATOREPER UN OSSERVATOREIN MOTO ACCELERATOIN MOTO ACCELERATO
LA GEOMETRIA PIANA NON È VALIDALA GEOMETRIA PIANA NON È VALIDAPER UN OSSERVATOREPER UN OSSERVATORE
IN UN CAMPO GRAVITAZIONALEIN UN CAMPO GRAVITAZIONALE
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
Conclusione:Conclusione:
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
UN CAMPO GRAVITAZIONALEUN CAMPO GRAVITAZIONALEINCURVA LO SPAZIO…INCURVA LO SPAZIO…
……E ANCHE IL TEMPO!E ANCHE IL TEMPO!
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
Una metafora: la membrana di gomma 2-dimensionale.Una metafora: la membrana di gomma 2-dimensionale.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
Lo spaziotempo piattoLo spaziotempo piattoLo spaziotempo deformatoLo spaziotempo deformato
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
ConseguenzaConseguenzaSi risolvono due problemi:Si risolvono due problemi:
la trasmissione istantaneala trasmissione istantanea la trasmissione a distanzala trasmissione a distanza
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
NON È PIÙ NECESSARIONON È PIÙ NECESSARIOPOSTULARE UNA FORZAPOSTULARE UNA FORZA
GRAVITAZIONALEGRAVITAZIONALE
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
Osservazioni sulla metaforaOsservazioni sulla metafora– Non esiste una gravità esterna che “tira verso il basso”.Non esiste una gravità esterna che “tira verso il basso”.– La curvatura dello spaziotempo è 3-dimensionale.La curvatura dello spaziotempo è 3-dimensionale.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
Ma sarà vero? Le verifiche sperimentali.Ma sarà vero? Le verifiche sperimentali.– La curvatura dellaLa curvatura della
traiettoria della luce.traiettoria della luce.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
–
– La precessione del perielio di Mercurio.La precessione del perielio di Mercurio.
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
Un caso estremo: il buco nero.Un caso estremo: il buco nero.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
La teoria della La teoria della Relatività GeneraleRelatività Generale
Un po’ di matematica.Un po’ di matematica.
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Lo spaziotempo si incurvaLo spaziotempo si incurva
Le equazioni di EinsteinLe equazioni di Einstein
ConclusioneConclusioneTeorie, campi di applicazione e costanti universaliTeorie, campi di applicazione e costanti universali
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Relatività RistrettaRelatività Ristretta Relatività GeneraleRelatività Generale
Velocità prossime a cVelocità prossime a c Grandi distorsioni dello spaziotempoGrandi distorsioni dello spaziotempo
c = 3 x 10 c = 3 x 10 88 m/s m/s G = 6,7 x 10 G = 6,7 x 10 -11-11 N.m N.m22.kg.kg-2-2
