I fondamenti della fisica del Novecento e le prospettive future

1. I fondamentidella fisica del Novecentoe le prospettive future Istituto Svizzero di Pedagogia per la Formazione Professionale Docente: Marco Cagnotti

2. Obiettivi 01 • Acquisire una visione d’insieme sulla fisica del Novecento. • Comprendere i concetti fondamentali alla base della Relatività e della Meccanica Quantistica. • Comprendere la relazione fra le due teorie e le prospettive aperte da un’eventuale Teoria del Tutto. • Riconoscere l’influenza delle scoperte in fisica sulla cultura umana. • Saper leggere un articolo divulgativo sulla fisica moderna.

3. Le grandi teorie dellafisica del Novecento 02 RR MQ RG 1905 1900-1930 1916 TQC 1940-1960 ToE? XXI secolo

4. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 03 • Unificazione di elettricitàe magnetismo. • Scoperta della radiazioneelettromagnetica. • La velocità è c, quindi la luceè radiazione elettromagnetica. • c è una costante (c = 300.000 km/s). XIX secolo J.C. Maxwell

5. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 04 • Che cosa accadrebbea un osservatore a cavalcionidi un raggio di luce? • La luce non può rimanere ferma. XIX secolo A. Einstein PARADOSSO!

6. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 05 • Il principio di relatività Le leggi fisiche, quali che siano, devonoessere assolutamente identiche per tuttigli osservatori in moto inerziale.(INTUITIVO) • Il principio di costanza della velocitàdella luce La luce possiede la velocità c per tuttigli osservatori in moto inerziale.(CONTROINTUITIVO) 1905, Albert Einstein: la relativitàristretta

7. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 06 Ma… la velocità è il rapporto fra “distanza” e “durata”. VANNO RIVISTI I CONCETTIDI SPAZIO E DI TEMPO “D’ora in poi il tempo e lo spazio da soli diventeranno pallide ombre, e solo una loro unione manterrà la sua indipendenza.”(H. Minkowski)

8. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 07 Che cos’è il Tempo? Per 2.500 annii filosofi si sono interrogati suquest’argomento. Definizione operativa IL TEMPO È QUELLA GRANDEZZA FISICA… …CHE SI MISURA CON UN OROLOGIO

9. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 08 Un esempio di orologio: l’orologio a luce.

10. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 09 L’effetto del moto inerziale su un orologio a luce.

11. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 10 Una conclusione sconcertante: L’OROLOGIO IN MOTO RITARDA RISPETTO A QUELLO FERMO Importante: ciò è vero per qualsiasiorologio, compreso il corpo umano! IL TEMPO SCORRE PIÙ LENTAMENTE IN UN SISTEMA DI RIFERIMENTO IN MOTO

12. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 11 Ma sarà vero? Le verifiche sperimentali. • A v = 0,995 c la vita dei muoni si allunga di 10 volte. • Gli aerei in volo.

13. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 12 Ma allora chi si muove davvero? ATTENZIONE ALLA SIMMETRIA! Il paradosso dei gemellie la sua spiegazione.

14. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 13 Gli effetti del moto sullo spazio. UN OGGETTO IN MOVIMENTO SI ACCORCIA NELLA DIREZIONE DEL MOTO

15. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 14 Gli effetti del moto sulla massa. UN OGGETTO IN MOVIMENTO AUMENTA LA PROPRIA MASSA

16. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 15 Un po’ di matematica. • Dilatazione dei tempi • Contrazione delle lunghezze • Aumento delle masse

17. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 16 Ma… non ci sono solo lo spazio e il tempo! E = m c2 Un’icona del nostro tempo

18. La rivoluzione dello spaziotempo La teoria della Relatività Ristretta 17 In conclusione… CAMBIA RADICALMENTE LA NOSTRA VISIONE DEL TEMPO E DELLO SPAZIO, CHE NON SONO PIÙ STRUTTURE RIGIDE E OGGETTIVE MA ENTITÀ DIPENDENTI DAL MOTO RELATIVO DEGLI OSSERVATORI (Ma Einstein preferiva chiamarla teoria dell’Invarianza…) TEORIA DELLA RELATIVITÀ

19. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 18 • La teoria della gravitazione. • La sua importanza:è una legge universale! XVIII secolo I. Newton

20. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 19 I problemi della gravitazione newtoniana. • La forza agisce a distanza “È inconcepibile che la materia bruta e inanimata possa (…) agire e influire su altra materia senza reciproco contatto. (…) La gravità deve necessariamente essere causata da un agente il quale agisca in modo costante secondo certe leggi; ma se questo agente sia materiale o immateriale è questione che lascio decidere ai lettori.”(I. Newton) • È incompatibile con la Relatività Ristretta La forza gravitazionale agisce istantaneamente.

21. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 20 La più felice intuizione di Einstein: studiare il moto accelerato.

22. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 20 Tutti gli osservatori, quale che siail loro stato di moto, possonoaffermare di essere stazionari, apatto che includano un opportunocampo gravitazionale nelladescrizione del proprio ambiente. Il Principio di Equivalenza Gli effetti di un’accelerazione sonoindistinguibili da quelli di uncampo gravitazionale uniforme. La più felice intuizione di Einstein: studiare il moto accelerato.

23. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 21 La misura del perimetroè diversa per i dueosservatori. p’ > 2pR Un caso particolare di moto accelerato:il moto circolare uniforme.

24. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 22 La spiegazione di Einstein: p = 2pR vale solo su una superficie piana.

25. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 23 Conseguenze: LA GEOMETRIA PIANA NON È VALIDA PER UN OSSERVATORE IN MOTO ACCELERATO LA GEOMETRIA PIANA NON È VALIDA PER UN OSSERVATORE IN UN CAMPO GRAVITAZIONALE

26. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 24 Conclusione: UN CAMPO GRAVITAZIONALE INCURVA LO SPAZIO… …E ANCHE IL TEMPO!

27. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 25 Una metafora: la membrana di gomma 2-dimensionale. Lo spaziotempo piatto Lo spaziotempo deformato

28. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 26 Conseguenza Si risolvono due problemi: • la trasmissione istantanea • la trasmissione a distanza NON È PIÙ NECESSARIO POSTULARE UNA FORZA GRAVITAZIONALE

29. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 27 Osservazioni sulla metafora • Non esiste una gravità esterna che “tira verso il basso”. • La curvatura dello spaziotempo è 3-dimensionale.

30. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 28 • La precessione del perielio di Mercurio. Ma sarà vero? Le verifiche sperimentali. • La curvatura dellatraiettoria della luce.

31. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 29 Un caso estremo: il buco nero.

32. Lo spaziotempo si incurva La teoria della Relatività Generale 30 Un po’ di matematica. Le equazioni di Einstein

33. Conclusione 31 Teorie, campi di applicazione e costanti universali Relatività Ristretta Relatività Generale Velocità prossime a c Grandi distorsioni dello spaziotempo c = 3 x 10 8 m/s G = 6,7 x 10 -11 N.m2.kg-2