lucidi (PDF) - INFN Sezione di Ferrara
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L’elettro<strong>di</strong>namica dei<br />
corpi in movimento:<br />
appunti <strong>di</strong> relatività speciale<br />
Giulio Stancari<br />
Istituto Nazionale <strong>di</strong> Fisica Nucleare<br />
<strong>Sezione</strong> <strong>di</strong> <strong>Ferrara</strong><br />
ITIS da Vinci, Carpi (MO), 1 marzo 2005
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Basi sperimentali ed evoluzione delle idee<br />
Gli articoli <strong>di</strong> Einstein del 1905<br />
Commenti su relatività ed elettromagnetismo<br />
Esempi dalla fisica nucleare<br />
Note sulla <strong>di</strong>dattica
•<br />
•<br />
•<br />
Le Nazioni Unite, attraverso l’UNESCO, hanno proclamato il 2005<br />
Anno Mon<strong>di</strong>ale della Fisica<br />
Celebriamo il centenario dell’anno mirabile <strong>di</strong> Einstein (1905),<br />
durante il quale vengono pubblicati alcuni articoli fondamentali:<br />
•<br />
•<br />
•<br />
moto browniano<br />
quanti <strong>di</strong> luce<br />
relatività speciale<br />
Approfon<strong>di</strong>amo contenuti e conseguenze degli articoli sulla<br />
relatività speciale
Nel 1905 Einstein pubblica due articoli sulla relatività speciale<br />
•<br />
•<br />
Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Ann. Phys. (Leipzig) 17, 891<br />
(giugno 1905).<br />
L’elettro<strong>di</strong>namica dei corpi in movimento, nel quale vengono gettate<br />
le basi della teoria e ricavate le principali conseguenze<br />
Ist <strong>di</strong>e Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig?,<br />
Ann. Phys. (Leipzig) 18, 639 (settembre 1905).<br />
Dipende l’inerzia dei corpi dal loro contenuto energetico? Viene<br />
mostrato che se un corpo cede energia E sotto forma <strong>di</strong><br />
ra<strong>di</strong>azione, la sua massa m decresce <strong>di</strong> E / c 2<br />
Come si giunse a questa teoria?
Basi sperimentali ed<br />
evoluzione delle idee
•<br />
•<br />
•<br />
Contesto<br />
Galileo aveva mostrato che le leggi della meccanica sono le stesse<br />
per osservatori in moto relativo rettilineo uniforme (principio <strong>di</strong><br />
relatività). Estensione naturale a tutte le leggi fisiche.<br />
Le ra<strong>di</strong>ci della relatività einsteniana provengono dallo stu<strong>di</strong>o della<br />
natura corpuscolare (Newton) o ondulatoria (Huygens) della luce<br />
e dall’introduzione dell’etere<br />
Una questione fondamentale nasce nel XIX secolo: si può estendere<br />
il principio <strong>di</strong> relatività a tutti i fenomeni fisici, comprendendo ottica,<br />
elettricità e magnetismo?
Il principio <strong>di</strong> relatività può essere formulato matematicamente<br />
<strong>di</strong>cendo che le leggi fisiche devono mantenere la stessa forma (essere<br />
covarianti o invarianti in forma) nel passaggio tra due<br />
osservatori inerziali. Esempio:<br />
F = ma F ′ = ma ′<br />
seconda legge<br />
seconda legge<br />
della <strong>di</strong>namica<br />
trasformazioni<br />
galileiane*<br />
della <strong>di</strong>namica<br />
x ′ =x − vt<br />
y ′ =y<br />
z ′ =z<br />
t ′ =t<br />
*battezzate da Philipp Frank nel 1909
Bradley, 1729<br />
Alla ricerca della parallasse come prova del sistema eliocentrico,<br />
Bradley osserva il fenomeno dell’aberrazione: l’angolo tra stelle<br />
lontane varia nel corso dell’anno <strong>di</strong> circa 20” = 1 E-4 rad in maniera<br />
incompatibile con la parallasse.<br />
Nel 1729 attribuisce il fenomeno alla velocità finita della luce.<br />
Esiste una velocità della luce universale anche nella teoria<br />
corpuscolare?
R<br />
Parallasse<br />
φ<br />
tanϕ = R<br />
D<br />
D<br />
< 10−6<br />
non osservata<br />
da Bradley<br />
α<br />
in<strong>di</strong>stinguibili<br />
sperimentalmente<br />
Aberrazione<br />
tanα = VTerra<br />
c 10−4 (class.)<br />
sinα = VTerra<br />
c<br />
(rel.)
•<br />
•<br />
•<br />
Rifrazione della<br />
luce stellare a ore<br />
<strong>di</strong>verse e in <strong>di</strong>fferenti<br />
perio<strong>di</strong> dell’anno.<br />
Nessun effetto.<br />
Fallimento della teoria<br />
corpuscolare o<br />
limitazione dell’occhio?<br />
Chiede a Fresnel se il<br />
risultato sia spiegabile<br />
con la teoria<br />
ondulatoria...<br />
Arago, 1810<br />
Arago (1810): the first experimental result against the ether<br />
α Hydra<br />
β Leo<br />
δ Virgo<br />
0:00<br />
Arcturus<br />
Castor<br />
21:00<br />
3:00<br />
Antares<br />
α Orion<br />
18:00<br />
EARTH<br />
6:00<br />
SUN<br />
6:00<br />
EARTH<br />
Rigel<br />
Aldebaran<br />
18:00<br />
MARCH OCTOBER<br />
3:00<br />
0:00<br />
21:00<br />
α Aquila<br />
α Cetus<br />
α Aquarius<br />
Figure 1. This <strong>di</strong>agram shows the light from <strong>di</strong>fferent stars and the Earth’s orbit<br />
Arago’s measurements were made on 27 March and 8 October 1810. Wavy<br />
light from stars (projected on Earth’s orbital plane), and the open arrows correspo
•<br />
•<br />
•<br />
Fresnel, 1818<br />
In risposta ai risultati <strong>di</strong> Arago, Fresnel ipotizza che, in un mezzo<br />
trasparente (in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione n) in moto rispetto all’etere con<br />
velocità v, la luce venga parzialmente trascinata e la sua<br />
velocità sia<br />
c ′ = c<br />
n<br />
+ v ·<br />
<br />
1 − 1<br />
n2 coefficiente<br />
<strong>di</strong> Fresnel<br />
L’ipotesi spiega i risultati nulli sulla rifrazione <strong>di</strong> Arago (1810) e<br />
viene confermata da Fizeau (liqui<strong>di</strong> in movimento, 1851) e Airy<br />
(aberrazione con telescopio pieno d’acqua, 1871)<br />
Meccanismo microscopico misterioso
esumed immobile ether, thus nullifying the effect. There is one important exception to<br />
1851, shortly after he and Jean Foucault (1819–1868) had shown that it is possible to<br />
e velocity of light in the laboratory Fizeau, (rather than 1851 as previously from astronomical obse<br />
zeau devised a method for putting Fresnel’s pre<strong>di</strong>cted value for the velocity of light<br />
e<strong>di</strong>a <strong>di</strong>rectly to the test. The experiment is illustrated in Fig. 7.<br />
Stu<strong>di</strong>a con un interferometro la propagazione della luce in liqui<strong>di</strong> in<br />
movimento<br />
Verifica l’ipotesi <strong>di</strong> Fresnel.<br />
Figure 7: The Fizeau Experiment<br />
Verifica ripetuta da Michelson e Morley nel 1886 con maggior<br />
Fizeau precisione.<br />
examined the effect of a water flow ! ABB!A! " on the interference pattern pr<br />
ht travelling with the flow (AB) and counter to the flow ! A!B! ". He observed a s<br />
terference pattern of roughly the size one would expect on the basis of the Fresnel coef
•<br />
•<br />
Maxwell, 1864<br />
Completa la teoria elettromagnetica, riassunta nelle<br />
equazioni <strong>di</strong> Maxwell. In forma moderna:<br />
legge <strong>di</strong> Gauss<br />
legge <strong>di</strong> Faraday<br />
Z<br />
Z<br />
S<br />
γ<br />
E · ndS = Q<br />
ε0<br />
E · tds = − dΦB<br />
dt<br />
legge <strong>di</strong> Gauss<br />
magnetica<br />
legge <strong>di</strong><br />
Ampère<br />
La luce viene interpretata come un’onda elettromagnetica<br />
che si propaga nell’etere con velocità<br />
c = (µ0 ε0) −1/2 = 3 × 10 8 m/s<br />
Z<br />
γ<br />
Z<br />
S<br />
B · tds = µ0<br />
B · ndS = 0<br />
<br />
dΦE<br />
i + ε0<br />
dt
Ispirato da una pubblicazione <strong>di</strong><br />
Maxwell (1879), Michelson<br />
mette alla prova le teorie<br />
sull’etere col suo<br />
interferometro a raggi<br />
perpen<strong>di</strong>colari basato su<br />
specchio semiriflettente<br />
Viene confrontata la velocità<br />
della luce in <strong>di</strong>rezioni<br />
mutuamente perpen<strong>di</strong>colari in<br />
<strong>di</strong>versi perio<strong>di</strong> dell’anno<br />
Michelson, 1881
When they published their results in 1886, with the same boldness as Michelson in 1881,<br />
Michelson and Morley drew the exact opposite conclusion from the one drawn in 1881: “the result<br />
of this work is therefore that the result announced by Fizeau is essentially correct: and that the<br />
luminiferous ether is entirely unaffected by the motion of the matter which it permeates” (Michelson<br />
L’esperimento viene ripetuto con maggior precisione nel 1887<br />
and Morley 1886, p. 386; emphasis in the original).<br />
assieme a Morley<br />
Risultato:<br />
la velocità della Terra rispetto all’etere<br />
è sempre minore <strong>di</strong> 5 km/s<br />
Figure 11: The Michelson interferometer of 1887<br />
The next task was to repeat Michelson’s experiment of 1881 to see whether a more accurate<br />
version of that experiment would after all reveal the ether drift to be expected on the basis of the<br />
hypothesis of an immobile ether. Further motivation for this undertaking was provided by the<br />
appearance of a lengthy article by Lorentz in 1886, in which he reviewed both experimental and<br />
theoretical work on the question of whether or not the ether is dragged along by the earth. Lorentz
•<br />
•<br />
•<br />
???<br />
Le teorie sull’etere <strong>di</strong> Stokes, Fresnel e Lorentz non sono<br />
sod<strong>di</strong>sfacenti. Come spiegare i risultati sperimentali?<br />
La teoria <strong>di</strong> Maxwell ha successo. Ma come conciliare<br />
l’elettromagnetismo col principio <strong>di</strong> relatività?<br />
Negli anni 1887-1905 vi è grande attività su questi problemi. Di<br />
particolare importanza sono i contributi <strong>di</strong> Lorentz e Poincaré.
Nello stu<strong>di</strong>o dell’effetto Doppler, scopre che l’equazione delle onde<br />
mantiene la stessa forma con un particolare cambio <strong>di</strong> variabili<br />
∂2φ ∂x2 + ∂2φ ∂y2 + ∂2φ ∂z<br />
Significato fisico?<br />
V 2<br />
2 = 1<br />
∂ 2 φ<br />
∂t 2<br />
Voigt, 1887<br />
equazione delle onde equazione delle onde<br />
trasformazione<br />
<strong>di</strong> Voigt<br />
x ′ =x − vt<br />
y ′ =y/γ<br />
z ′ =z/γ<br />
t ′ =t − vx/V 2<br />
γ ≡<br />
∂2φ ∂x ′2 + ∂2φ ∂y ′2 + ∂2φ ∂z<br />
<br />
1 − v2<br />
V 2<br />
−1/2<br />
V 2<br />
′2 = 1<br />
∂ 2 φ<br />
∂t ′2
FitzGerald, 1889<br />
Per spiegare il risultato nullo dell’esperimento <strong>di</strong> Michelson e Morley,<br />
ipotizza qualitativamente una contrazione “reale” delle molecole<br />
nella <strong>di</strong>rezione del moto rispetto all’etere. Pubblica su Science.
Lorentz, 1892<br />
In<strong>di</strong>pendentemente da Fitzgerald, spiega l’esperimento <strong>di</strong> Michelson e<br />
Morley ipotizzando una contrazione delle lunghezze dei corpi<br />
rigi<strong>di</strong> parallelamente al moto rispetto all’etere.<br />
L ′ <br />
= L · 1 − v2<br />
2c2 <br />
Lorentz viene a sapere in seguito dell’ipotesi <strong>di</strong> FitzGerald.
Pubblica il teorema degli stati corrispondenti: in assenza <strong>di</strong><br />
materiali magnetici, esistono trasformazioni che mantengono invariata<br />
la forma dei campi elettromagnetici al prim’or<strong>di</strong>ne in v/c<br />
tempo<br />
locale<br />
Lorentz, 1895<br />
x ′ =x − vt<br />
t ′ =t − v · x/c 2<br />
E ′ =E + v ∧ B<br />
B ′ =B − v ∧ E/c 2<br />
Ipotizza che la forza agente su una carica q in moto con velocità v sia<br />
F = q(E + v ∧ B)<br />
tempo<br />
generale<br />
forza <strong>di</strong> Lorentz
•<br />
Poincaré, 1898<br />
Osserva che i concetti <strong>di</strong> simultaneità a <strong>di</strong>stanza e <strong>di</strong><br />
misura del tempo non sono intuitivi. Sono necessarie<br />
definizioni operative.
Larmor, 1898 (1900)<br />
Nel saggio Aether and Matter, scrive per primo le<br />
trasformazioni <strong>di</strong> Lorentz in forma finale e ne deduce la<br />
contrazione delle lunghezze, in<strong>di</strong>pendentemente da Lorentz.
Lorentz, 1899<br />
Scrive le trasformazioni a meno <strong>di</strong> un fattore <strong>di</strong> scala ε indeterminato.<br />
Da queste trasformazioni si ricava la contrazione delle<br />
lunghezze <strong>di</strong> FitzGerald-Lorentz e quin<strong>di</strong> una spiegazione<br />
dell’esperimento <strong>di</strong> Michelson e Morley<br />
x ′ =εγ(x − vt)<br />
y ′ =εy<br />
z ′ =εz<br />
t ′ =εγ(t − vx/c 2 )
•<br />
Poincaré, 1900<br />
Osserva che la spiegazione dell’in<strong>di</strong>pendenza dei fenomeni ottici<br />
dal moto terrestre è insod<strong>di</strong>sfacente dal punto <strong>di</strong> vista<br />
concettuale:<br />
•<br />
rifrazione della luce stellare (Arago, Bradley/Airy), <strong>di</strong> or<strong>di</strong>ne v/c,<br />
con coefficiente <strong>di</strong> trascinamento <strong>di</strong> Fresnel<br />
• esperimento <strong>di</strong> Michelson e Morley, <strong>di</strong> or<strong>di</strong>ne (v/c)2 , tramite<br />
contrazione delle lunghezze <strong>di</strong> Lorentz-FitzGerald
•<br />
•<br />
•<br />
Lorentz, 1904<br />
Scrive le trasformazioni in forma finale<br />
trasformazioni<br />
<strong>di</strong> Larmor-Lorentz<br />
x ′ =γ(x − vt)<br />
y ′ =y<br />
z ′ =z<br />
t ′ =γ(t − vx/c 2 )<br />
γ ≡<br />
Dimostra la covarianza delle equazioni <strong>di</strong> Maxwell solo<br />
all’or<strong>di</strong>ne v/c a causa <strong>di</strong> un errore <strong>di</strong> calcolo<br />
Hanno queste trasformazioni un significato fisico?<br />
<br />
1 − v2<br />
c2 −1/2
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Poincaré, 1904<br />
Critica della velocità assoluta<br />
Utilizzo della luce per sincronizzare orologi in moto relativo<br />
Il tempo locale <strong>di</strong> Lorentz è un concetto fisico<br />
Osservatore misura fenomeni ritardati rispetto a osservatore<br />
in moto e viceversa. Impossibilità <strong>di</strong> determinare moto assoluto<br />
Sono necessarie ulteriori ipotesi. Contrazione delle lunghezze?<br />
Necessario sviluppare una nuova meccanica nella quale la<br />
velocità della luce è una velocità limite
Poincaré, giugno 1905<br />
Primo articolo Sur la Dynamique de l’Électron<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Impossibilità <strong>di</strong> determinare il moto assoluto sembra<br />
verificata sperimentalmente<br />
Deduce che il fattore <strong>di</strong> scala ε deve essere uguale a 1<br />
confrontando trasformazioni <strong>di</strong> Lorentz e rotazioni<br />
Tutte le forze devono trasformarsi allo stesso modo. Le leggi <strong>di</strong><br />
Newton della gravitazione devono essere mo<strong>di</strong>ficate<br />
all’or<strong>di</strong>ne (v/c) 2 . Possono esistere onde gravitazionali che si<br />
propagano con velocità c
Poincaré, luglio 1905<br />
Secondo articolo Sur la Dynamique de l’Électron, poche settimane dopo<br />
il primo articolo <strong>di</strong> Einstein (simultaneità?). Conseguenze delle<br />
trasformazioni <strong>di</strong> Lorentz<br />
•<br />
Completa covarianza delle equazioni <strong>di</strong> Maxwell<br />
(corregge Lorentz)<br />
• Invarianza dell’intervallo (ct’)2 - (x’) 2 = (ct) 2 - (x) 2<br />
•<br />
Ad<strong>di</strong>zione delle velocità<br />
v = v1 + v2<br />
1 + v1v2/c 2<br />
C’è quasi tutto, ma non è ancora la teoria della relatività...
L’articolo <strong>di</strong> Einstein<br />
del giugno 1905
L’articolo è un esempio <strong>di</strong> semplicità, rigore logico, profon<strong>di</strong>tà<br />
concettuale. Vale la pena <strong>di</strong> essere stu<strong>di</strong>ato.<br />
È <strong>di</strong>viso in tre sezioni:<br />
• introduzione<br />
•<br />
•<br />
parte cinematica<br />
parte elettro<strong>di</strong>namica
Motivazioni del lavoro<br />
•<br />
•<br />
Introduzione<br />
Asimmetrie nell’interpretazione dei fenomeni<br />
elettromagnetici visti da osservatori <strong>di</strong>versi<br />
Risultati nulli degli esperimenti sul moto rispetto<br />
all’etere (non citati esplicitamente)
I due postulati:<br />
•<br />
•<br />
Il principio <strong>di</strong> relatività deve valere per tutti i fenomeni, sia<br />
meccanici che elettromagnetici<br />
La velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto è<br />
la stessa per tutti gli osservatori inerziali<br />
Einstein deduce dai postulati profonde conseguenze
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Definizione <strong>di</strong> simultaneità<br />
Parte cinematica<br />
Considerazioni su relatività <strong>di</strong> lunghezze,<br />
tempi, simultaneità<br />
Deduzione delle trasformazioni <strong>di</strong><br />
Lorentz<br />
Trasformazioni <strong>di</strong> Lorentz ⇒<br />
contrazione delle lunghezze e <strong>di</strong>latazione<br />
dei tempi<br />
Ad<strong>di</strong>zione delle velocità
•<br />
•<br />
•<br />
Parte elettro<strong>di</strong>namica<br />
Covarianza delle eq. <strong>di</strong> Maxwell nel vuoto ⇒ trasformazione<br />
dei campi<br />
Effetto Doppler longitu<strong>di</strong>nale e trasverso. Aberrazione<br />
Trasformazione dell’energia dei raggi <strong>di</strong> luce. Pressione <strong>di</strong><br />
ra<strong>di</strong>azione
•<br />
•<br />
Covarianza delle eq. <strong>di</strong> Maxwell in presenza <strong>di</strong> sorgenti ⇒<br />
trasformazione della densità <strong>di</strong> carica e <strong>di</strong> corrente<br />
Dinamica dell’elettrone lentamente accelerato. Forza <strong>di</strong><br />
Lorentz. Energia cinetica relativistica:<br />
lavoro<br />
{<br />
energia cinetica<br />
{
•<br />
•<br />
•<br />
Cosa non c’è?<br />
Manca una bibliografia. Vengono<br />
nominati Maxwell, Hertz,<br />
Lorentz e l’amico Besso<br />
Non viene dedotto il fattore <strong>di</strong><br />
trascinamento <strong>di</strong> Fresnel (von<br />
Laue, 1907)<br />
Non c’è collegamento esplicito<br />
con l’articolo del marzo 1905<br />
sul quanto <strong>di</strong> luce E = hν. Si<br />
osserva soltanto che ‘energia e<br />
frequenza della luce variano con<br />
la stessa legge.’
L’articolo <strong>di</strong> Einstein<br />
del settembre 1905
In un breve articolo, Einstein mostra che, emettendo ra<strong>di</strong>azione <strong>di</strong><br />
energia E, la massa m <strong>di</strong> un corpo <strong>di</strong>minuisce <strong>di</strong> E / c 2<br />
Einstein propone la verifica con sali ra<strong>di</strong>oattivi <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>o<br />
Idea sviluppata nei successivi articoli<br />
del 1906 (conservazione della massa ⊆ conservazione<br />
dell’energia)<br />
del 1907 (equivalenza massa energia)
Planck (1907) calcola che l’energia <strong>di</strong> legame <strong>di</strong> una mole d’acqua<br />
dovrebbe ridurne la massa <strong>di</strong> 10 -8 g rispetto ai costituenti (non<br />
rivelabile) ⇒ collegamento con la chimica<br />
Pauli (1921) afferma che la verifica sperimentale della relazione<br />
E = m c 2 potrà avvenire in futuro dall’osservazione della stabilità<br />
dei nuclei...<br />
In chimica (forza elettromagnetica):<br />
energia <strong>di</strong> legame ≪ massa del sistema<br />
In fisica nucleare (forza nucleare forte):<br />
energia <strong>di</strong> legame ≲ massa del sistema
Osservazioni su<br />
relatività ed elettromagnetismo
•<br />
•<br />
•<br />
Terminologia:<br />
invariante e covariante<br />
Una grandezza fisica (massa, carica, intervallo, ecc.) si <strong>di</strong>ce<br />
invariante se il suo valore numerico è lo stesso in tutti i sistemi<br />
<strong>di</strong> riferimento inerziali. Esempi: m’ = m (ct’) 2 - (x’) 2 = (ct) 2 - (x) 2<br />
Una legge fisica (seconda legge della <strong>di</strong>namica, equazioni <strong>di</strong><br />
Maxwell, ecc.) si <strong>di</strong>ce covariante o invariante in forma se la<br />
relazione che lega le grandezze fisiche non cambia, anche quando<br />
cambia il loro valore numerico. Espressione matematica del<br />
principio <strong>di</strong> relatività. Esempio: F = dp/dt F’ = dp’/dt’<br />
Le coor<strong>di</strong>nate x,t <strong>di</strong> un evento (in generale, le componenti <strong>di</strong><br />
un quadrivettore) si <strong>di</strong>cono covarianti perché la trasformazione<br />
da un sistema all’altro (trasformazione <strong>di</strong> Lorentz) è la stessa per<br />
tutti gli eventi: x’ = (γ) x - (γ v) t t’ = (γ) t - (γ v / c 2 ) x
•<br />
Cariche elettriche in moto<br />
Definizione <strong>di</strong> carica in moto dalla legge <strong>di</strong> Gauss. Coincide<br />
con la legge <strong>di</strong> Coulomb per cariche stazionarie.<br />
Q<br />
q<br />
Q ≡ F · r2 · 4πε0<br />
q<br />
F<br />
Q ≡ ΦE · ε0<br />
Q<br />
q<br />
E
•<br />
•<br />
La carica elettrica è invariante, cioè non <strong>di</strong>pende dalla<br />
velocità delle particelle. Sperimentalmente:<br />
•<br />
•<br />
•<br />
neutralità dei corpi al variare della temperatura<br />
neutralità <strong>di</strong> atomi e molecole<br />
rapporto q / m in funzione della velocità<br />
L’invarianza della carica implica che la sua quantizzazione in<br />
multipli interi della carica dell’elettrone e = 1.60217653 E-19 C è<br />
valida in tutti i sistemi <strong>di</strong> riferimento.
Dai postulati della relatività e dall’invarianza della carica,<br />
si deducono conseguenze fondamentali:<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Proprietà <strong>di</strong> trasformazione del campo elettromagnetico: campi<br />
elettrici e magnetici inscin<strong>di</strong>bili<br />
Forza <strong>di</strong> Lorentz<br />
Covarianza delle equazioni <strong>di</strong> Maxwell<br />
(Nell’articolo del 1905, Einstein postula la covarianza delle equazioni<br />
<strong>di</strong> Maxwell e l’invarianza della carica.)
La relatività in azione:<br />
esempi dalla fisica nucleare
In fisica nucleare gli effetti relativistici sono evidenti<br />
•<br />
•<br />
velocità delle particelle prossime a quelle della luce<br />
energie <strong>di</strong> legame confrontabili con le masse dei sistemi
Una scelta ‘furba’ <strong>di</strong> riferimento:<br />
In fisica delle particelle elementari si vogliono collisioni ad alta energia<br />
per due motivi principali<br />
•<br />
•<br />
acceleratori a fasci incrociati<br />
ricercare nuove particelle<br />
rivelare oggetti sempre più piccoli
Inviando un fascio su un bersaglio fisso, parte dell’energia del<br />
proiettile viene ‘sprecata’ (conservazione dell’impulso). Esempio con<br />
elettroni (m = 0.511 MeV):<br />
M ∝ √ E<br />
E = 1 GeV<br />
M = 32 MeV<br />
Facendo collidere frontalmente due fasci uno contro l’altro, il<br />
sistema del laboratorio è un riferimento privilegiato (centro <strong>di</strong> massa,<br />
impulso totale nullo) in cui tutta l’energia è <strong>di</strong>sponibile<br />
E = 1 GeV E = 1 GeV<br />
M = 2E<br />
M = 2 GeV<br />
Problema: fasci poco densi ⇒ basso numero <strong>di</strong> collisioni
I maggiori acceleratori sono del tipo a fasci incrociati (collider):<br />
ISR (CERN, 1971-1983) protone-protone 62 GeV<br />
Tevatron (Fermilab, 1987-...) protone-antiprotone 1 TeV<br />
LEP (CERN, 1989-2000) elettrone-positrone 100 GeV<br />
RHIC (Brookhaven, 2000-...) oro-oro 100 GeV/u<br />
LHC (CERN, 2007?) protone-protone 7 TeV
Conversione <strong>di</strong> energia in massa<br />
elettrone<br />
positrone<br />
Materializzazione<br />
del fotone<br />
Immagine in camera a nebbia<br />
ottenuta dai coniugi Joliot-Curie<br />
a Parigi nel 1933
Dilatazione dei tempi:<br />
la vita me<strong>di</strong>a dei mesoni µ<br />
I mesoni µ sono presenti nei<br />
raggi cosmici<br />
Sono particelle instabili. La vita<br />
me<strong>di</strong>a osservata varia con la<br />
velocità secondo la relatività<br />
speciale (ad es. Rossi e Hall,<br />
1941)
Relazione tra velocità ed impulso<br />
previsione relativistica<br />
p = γmv<br />
per elettroni<br />
Esperimenti <strong>di</strong><br />
Kaufmann (1906),<br />
Bucherer (1909) ed altri<br />
Invarianza della carica elettrica<br />
previsione classica<br />
p = mv
Note sulla <strong>di</strong>dattica
Per la formazione scientifica <strong>di</strong> un citta<strong>di</strong>no (enfasi sul metodo)<br />
•<br />
•<br />
esempio <strong>di</strong> interazione tra ipotesi, teorie ed esperimenti (come si<br />
fa la scienza)<br />
necessaria per comprendere la visione relativistica della<br />
cosmologia (come ve<strong>di</strong>amo l’universo)<br />
Per un futuro scienziato (enfasi sui contenuti)<br />
•<br />
Insegnare la relatività speciale?<br />
in<strong>di</strong>spensabile in molti rami della fisica moderna: particelle<br />
elementari, nuclei, acceleratori, astrofisica...
Come introdurre la relatività?<br />
1. Prima <strong>di</strong> confrontare <strong>di</strong>versi osservatori, approfon<strong>di</strong>re le misure <strong>di</strong><br />
spazio e tempo in un singolo sistema <strong>di</strong> riferimento:<br />
•<br />
•<br />
•<br />
<strong>di</strong>stanze con regoli rigi<strong>di</strong> (intuitiva)<br />
intervalli <strong>di</strong> tempo tra eventi locali (intuitiva)<br />
intervalli <strong>di</strong> tempo tra eventi <strong>di</strong>stanti: simultaneità a <strong>di</strong>stanza e<br />
sincronizzazione degli orologi (NON intuitiva)
•<br />
•<br />
La simultaneità a <strong>di</strong>stanza è questione <strong>di</strong> definizioni e<br />
convenzioni, non una realtà preesistente<br />
L’uso <strong>di</strong> onde elettromagnetiche (luce o segnali ra<strong>di</strong>o) per la<br />
sincronizzazione viene scelto per l’alta precisione e per l’invarianza<br />
della velocità della luce. Onde sonore o trasporto lento <strong>di</strong><br />
cronometri sono spesso ottime approssimazioni.
2. Chiarire le motivazioni per la ricerca del riferimento assoluto e<br />
per l’introduzione dell’etere<br />
Galileo crede ad un prinicipio <strong>di</strong> relatività universale<br />
La teoria ondulatora della luce sembra richiedere un mezzo <strong>di</strong><br />
propagazione (etere)<br />
La teoria <strong>di</strong> Maxwell unifica elettricità, magnetismo e ottica, ma<br />
contiene una velocità universale delle onde e.m.<br />
Teoria <strong>di</strong> Maxwell non valida? Esistenza <strong>di</strong> un riferimento assoluto?<br />
Principio <strong>di</strong> relatività non applicabile ai fenomeni elettromagnetici?
3. Presentare le basi sperimentali dei due postulati<br />
•<br />
•<br />
principio <strong>di</strong> relatività valido per la meccanica (da Galileo in poi)<br />
invarianza della velocità della luce da Bradley, Arago, Fizeau,<br />
Michelson e Morley<br />
Einstein è il primo a considerarli compatibili e a trarne le conseguenze<br />
I due postulati continuano ancor oggi ad essere messi alla prova
4. Conseguenza non intuitiva: eventi simultanei in un sistema <strong>di</strong><br />
riferimento non lo sono in generale in un altro.<br />
Questo è un punto delicato: si confrontano osservatori in moto<br />
relativo e si utilizza per la prima volta il concetto <strong>di</strong> evento<br />
caratterizzato da coor<strong>di</strong>nate spazio-temporali (x,t)
5. Definizione <strong>di</strong> lunghezza <strong>di</strong> un oggetto in movimento: si<br />
misura la <strong>di</strong>stanza tra le posizioni degli estremi valutate allo stesso<br />
istante. La definizione è coerente con la definizione a riposo.
6. Vi sono <strong>di</strong>verse sequenze logiche per <strong>di</strong>mostrare le<br />
conseguenze dei postulati:<br />
invarianza dell’intervallo spazio-temporale<br />
<strong>di</strong>latazione dei tempi<br />
contrazione delle lunghezze<br />
ad<strong>di</strong>zione delle velocità<br />
...<br />
Queste sequenze sono <strong>di</strong> solito più comprensibili della derivazione<br />
<strong>di</strong>retta <strong>di</strong> Einstein delle trasformazioni <strong>di</strong> Lorentz
7. La massa relativistica γm che aumenta con la velocità è ridondante.<br />
Dare invece risalto a concetti più fondamentali:<br />
•<br />
•<br />
massa a riposo m: invariante<br />
impulso p = γmv:<br />
a. si conserva in tutti i sistemi <strong>di</strong> riferimento<br />
b. entra nella legge del moto relativistico F = dp/dt
8. Distinguere tra conservazione (constanza nel tempo in un<br />
riferimento) ed invarianza (uguaglianza <strong>di</strong> misure in riferimenti<br />
<strong>di</strong>versi). Ad esempio:<br />
La carica elettrica <strong>di</strong> un sistema isolato si conserva ed è invariante.<br />
L’energia e l’impulso <strong>di</strong> un sistema isolato si conservano, ma non<br />
sono invarianti.
9. Sottolineare la connessione con l’elettromagnetismo<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
le equazioni <strong>di</strong> Maxwell sono covarianti<br />
la carica elettrica è invariante (sperimentalmente)<br />
postulati della relatività<br />
+<br />
invarianza della carica<br />
trasformazioni del campo<br />
forza <strong>di</strong> Lorentz<br />
campi elettrici e magnetici come manifestazioni dello stesso<br />
fenomeno in riferimenti <strong>di</strong>versi<br />
{
Storia<br />
•<br />
•<br />
Fisica<br />
•<br />
Conclusioni<br />
Tempi maturi per la relatività nel 1905<br />
Contributo <strong>di</strong> Einstein comunque rivoluzionario<br />
Stretto legame tra relatività, meccanica ed elettromagnetismo<br />
Didattica<br />
•<br />
•<br />
Molti spunti per formazione scientifica <strong>di</strong> base<br />
Applicazioni ed approfon<strong>di</strong>menti dalla fisica nucleare
Bibliografia<br />
Taylor e Wheeler, Fisica dello spaziotempo (Zanichelli, 1996)<br />
Pais, Sottile è il Signore (Bollati Boringhieri, 1991)<br />
Purcell, Elettricità e magnetismo (Zanichelli, 1971)<br />
Arons, Guida all’insegnamento della fisica (Zanichelli, 1992)<br />
Grazie per l ’a!enzione!