mercoledì 22 giugno 2011

LA RELATIVITA'

IL CONCETTO DI TEMPO

Il concetto di tempo ha sempre attratto studiosi in ogni ambito dai fisici ai filosofi, dai matematici ai letterati proprio per la sua caratteristica di essere allo stesso tempo presente e inesistente. Pensandoci bene il tempo non esiste non è una cosa palpabile, visibile o analizzabile, vediamo solo gli effetti che ha su gli esseri viventi e non è possibile misurarlo in ogni istante. Cosa è davvero il tempo non lo sappiamo ancora anche se una definizione è :
 Il tempo è la dimensione nella quale si concepisce e si misura il trascorrere degli eventi. Tutti gli eventi possono essere descritti in un tempo che può essere passato, presente o futuro.
Che il tempo non è uguale per tutti lo sappiamo da sempre, quando ci divertiamo il tempo passa velocemente cosi come la noia fa sembrare lo scorrere del tempo molto più lento e questa visione di tempo “personale”, cioè determinato dalle sensazioni psicologiche di ognuno, è stata definita con il nome di tempo psicologico. Questo tipo di visione temporale secondo cui lo stato emotivo influenza lo scorrere del tempo è stata accettata da tutti.
Siamo però molto meno disposti ad accettare il fatto che anche il tempo fisico, cioè quello misurabile oggettivamente, sia relativo e non assoluto come avevano creduto tutti gli scienziati fino al 800.

LA TEORIA DI EINSTEIN 

Le cose cambiarono nel 1905 quando Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività. In questa teoria Einstein partì da due postulati:

  • il principio di relatività: tutte le leggi fisiche sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali
  • l'invarianza della luce: la velocità della luce nel vuoto ha lo stesso valore in tutti i sistemi di riferimento inerziali, indipendentemente dalla velocità dell'osservatore o dalla velocità della sorgente di luce.
Con esperimenti mentali e complicati calcoli giunse a sconcertanti risultati che avrebbero cambiato per sempre la visione spazio-temporale del mondo e dell'universo.
Il primo risultato di tali calcoli riguarda il tempo: lo scorrere del tempo individuale di un osservatore, misurato dal suo orologio, appare agli altri osservatori tanto più lento quanto la sua velocità rispetto ad essi si avvicina a quella della luce. In particolare, due eventi non casualmente collegati possono apparire in un certo ordine temporale per un osservatore e in un altro ordine per un altro osservatore.
Anche lo spazio assume ora valori del tutto relativi, infatti la velocità non solo rallenta il tempo ma distorce anche lo spazio.

spazio

Lo stesso Einstein si accorse degli effetti paradossali che tale affermazione poteva avere e enunciò quello che forse è il paradosso più famoso della fisica moderna: il paradosso dei gemelli.

IL PARADOSSO DEI GEMELLI


Il paradosso dei gemelli è un esperimento mentale che sembra appunto rivelare una contraddizione nella teoria della relatività (ristretta).



Questo paradosso è un immediata conseguenza della relatività einsteiniana. Se noi, per esempio, prendessimo due gemelli, ne spedissimo uno su un razzo in moto per una quarantina di anni, al suo ritorno noteremmo che il gemello sul razzo è più giovane di quello rimasto sulla Terra. La soluzione di questo paradosso, che potrebbe sembrare impossibile, si trova proprio nella relatività einsteiniana e nella distorsione dello spazio-tempo.



Approfondimento: Il paradosso dei gemelli

PARADOSSI NELLA FISICA QUANTISTICA: SCRHODINGER





Erwin Schrödinger



Biografia: Erwin Schrodinger

L'EQUAZIONE D'ONDA DI SCHRODINGER

Gli attacchi alle concezione della fisica classica non arrivarono soltanto dalla teoria della relatività, ma anche dalla meccanica quantistica, nel momento in cui Erwin Schrodinger scopri la famosa equazione d'onda che regola il comportamento del mondo subatomico.
L'interpretazione classica proposta da Bohr considera la funzione d'onda come descrizione di un astratta onda di probabilità, più precisamente, le probabilità si ottengono moltiplicando la funzione d'onda con la sua complessa coniugata. Non ci addentreremo nel complesso mondo matematico che regola queste funzioni, ci basti soltanto sapere che Schrodinger non fu daccordo con Bohr, e fu questo che spinse Erwin a elaborare il suo celebre paradosso di cui parleremo a breve.
Tornando all'interpretazione classica, possiamo semplificare questa interpretazione probabilistica dicendo che a livello profondo, il mondo è come uno schermo su cui vengono proiettati più film in sovrapposizione e con risoluzioni diverse che corrispondono alle probabilità. Il motivo per cui non appare cosi a noi, è che possiamo osservare lo schermo soltanto attraverso filtri biologici o tenologici, che ci permettono di vedere soltanto uno dei vari film. In generale quando si guarda, o si fa un esperimento, la realtà passa, attraverso noi, da una sovrapposizioni di proiezioni a una singola proiezione.
Nel 1935 Erwin Schrödinger, appunto con l’intento di dimostrare l’incompletezza e le contraddizioni insite nella teoria quantistica, propose, in un articolo passato ormai alla storia, un particolarissimo “esperimento mentale” che vedeva come protagonista il proprio gatto.
Ciò prese il nome di “paradosso del gatto di Schrodinger"e aveva il compito di di mostrare come l’interpretazione classica della meccanica quantistica risultasse essere incompleta quando doveva descrivere sistemi fisici in cui il subatomico (microscopico) interagiva con il macroscopico.

IL PARADOSSO DEL GATTO 

All’interno di una scatola d’acciaio Schrödinger immagina di porre un gatto e una piccola quantità di sostanza radioattiva, la cui disintegrazione viene registrata da parte di un contatore Geiger il quale a sua volta mette in azione un martello che infrange una fialetta di veleno in forma gassosa. Ora volendo seguire alla lettera la teoria quantistica, sostiene Schrödinger, passato un certo periodo di tempo dall’istante in cui il gatto è stato messo all’interno della scatola e ha avuto inizio l’esperimento, ci si trova nella situazione in cui il momento della disintegrazione della sostanza radioattiva non può essere calcolato con esattezza (risultando tale momento sovrapposizione di più tempi) e quindi ci si trova nella impossibilità oggettiva di assegnare un reale stato di vita o di morte al gatto. Anzi ci si trova in una strana situazione ove la fiala di veleno risulta potenzialmente allo stesso tempo rotta e non rotta, con un gatto contemporaneamente vivo (fialetta non rotta) e morto (fialetta rotta).


INTERPRETAZIONI DEL PARADOSSO


Secondo l'interpretazione probabilistica, fino a quando non si guarda nella scatola, la realtà dovrebbe stare nella sovrapposizione di stati che corrisponde alle due possibilità: sostanza disintegrata o no e quindi fialetta rotta o meno. Dunque gatto vivo o morto. Solo nel momento in cui si guarda dentro la scatola dovrebbe avvenire il passaggio a una delle due probabilità.
Schrodinger trovava la cosa paradossale, anzi, burlesca. Il gatto è vivo o è morto e non ha senso dire che se il flacone si rompe il gatto rimane vivo finché qualcuno non effettui l'osservazione.
Al contrario di bohr infatti, schrodinger interpretava la funzione d'onda come come la descrizione di una concreta onda di materia. Nel 1937 propose di interpretare la funzione d'onda e la sua coniugata come muoventisi in direzioni temporali opposte: dal passato al al fututro la prima e dal futuro al passato la seconda. Il prodotto descriverebbe cosi il loro incontro nel presente. Secondo questa interpretazione, tutto ciò che sta nel futuro è un onda di probabilità e tutto ciò che sta nel passato è una particelle di materia. Dal loro incontro nel presente deriverebbe dunque la doppianatura complementare di onda e particella.




martedì 21 giugno 2011

I PROTAGONISTI

I Protagonisti della Fisica: (da sinistra)
Galileo Galilei, Isaac Newton, Albert Einstein


GALILEO GALILEI

Galileo Galilei

« La filosofia è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l'universo), ma non si può intendere se prima non s'impara a intender la lingua, e conoscer i caratteri, ne' quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto. »
                                                                               (Galileo GalileiIl SaggiatoreCap. VI)


Galileo Galilei (Pisa,15 febbraio 1564-Arcetri, 8 gennaio 1642) è stato un fisico, filosofo, astronomo e matematico italiano, padre della scienza moderna. Il suo nome è associato ad importanti contributi di dinamica e in astronomia -fra cui il perfezionamento del telescopio, che gli permise importanti osservazioni astronomiche -e nell'introduzione del metodo scientifico (detto spesso metodo galileiano o metodo scientifico sperimentale).
Di primaria importanza furono il suo ruolo nella rivoluzione astronomica e il suo sostegno al sistema eliocentrico e alle teorie copernicane. Sospettato di eresia e accusato di voler sovvertire la filosofia naturale aristotelica e le Sacre Scritture, Galileo fu processato e condannato dal Sant'Uffizio, nonchè costretto, il 22 giugno 1633, all'abiura delle sue concezioni astronomiche.


IL TELESCOPIO




La grande intuizione di Galileo è stata quella di creare un rapporto biunivoco tra scienza e tecnica. Grazie all'invenzione del cannocchiale (o per meglio dire, telescopio), ha potuto osservare i fenomeni al di fuori della Terra, analizzando astri, pianeti e stelle. Una volta costruito il telescopio, Galileo ha osservato, come prima cosa, la Luna: ha visto l'alba e il tramonto sulla Luna, ha osservato la metà chiara e la metà scura, ha notato la presenza di montagne sulla superficie lunare. Successivamente ha osservato le fasi di Venere. Tra le sue prime scoperte ci fu l'individuazione di piccoli pianeti intorno a Giove, che vennero chiamati "Satelliti Medicei", per dedicare la scoperta alla famiglia dei Medici. Questi satelliti che giravano intorno a Giove confutavano la tesi che tutti i pianeti girassero intorno alla terra. Questa scoperta è stata molto importante per l'imporsi della teoria copernicana del moto planetario: secondo la cosmologia di Aristotele c'era un unico centro del moto (la Terra), attorno al quale ruotavano tutti i corpi celesti; Copernico invece sosteneva che la Terra si muoveva intorno al Sole e la Luna attorno alla Terra e quindi che ci fossero due centri del moto.

 Obiettivo del cannocchiale con
il quale Galileo scoprì i satelliti
di Giove (Firenze,Museo di Storia della Scienza)

PENDOLO

Un orologio a pendolo
(Museo di Storia della Scienza,Firenze)
Galileo era molto interessato ad un approccio di tipo matematico alla questione del moto; egli incomincio' fin da giovane ad analizzare criticamente la fisica aristotelica che gli era stata insegnata, attraverso la sperimentazione diretta sugli oggetti del proprio studio.
Si dice che Galileo intraprese lo studio del moto del pendolo nel 1581, dopo aver osservato il moto di oscillazione di una lampada sospesa nella Cattedrale di Pisa, citta' nella quale compi' gli studi universitari. Egli si accorse che il periodo di oscillazione di un pendolo e' indipendente dalla sua ampiezza, fenomeno detto "isocronismo" del pendolo, e cerco' di trovare le relazioni tra la lunghezza e il peso del pendolo e il suo periodo. In realtà, un pendolo e' strettamente isocrono soltanto se le sue oscillazioni sono di piccola ampiezza, come fu scoperto da Huygens pochi decenni piu' tardi.
Un pendolo pote' quindi essere usato come strumento per misurare gli intervalli di tempo, trovando applicazione per esempio in medicina, come misuratore delle pulsazioni cardiache.
Molti anni piu' tardi, nel 1641, Galileo propose l'utilizzo del pendolo come meccanismo regolatore degli orologi, e ne abbozzo' un progetto. Tuttavia, ormai vecchio e cieco, non riusci' a realizzarlo, e l'orologio a pendolo venne costruito solo nel 1657, da Christiaan Huygens. 

Biografia: GALILEO GALILEI

ISAAC NEWTON

Isaac Newton
Sir Isaac Newton (Woolsthorpe-by-Colsterworth, 4 gennaio 1643 – Londra, 31 marzo 1727[1]) è stato un matematico, fisico ed alchimista inglese. Citato anche come Isacco Newton, è considerato una delle più grandi menti di tutti i tempi. Fu Presidente della Royal Society.
Universalmente noto soprattutto per il suo contributo alla meccanica classica — è noto agli scolari di tutto il mondo l'aneddoto di Newton e la mela — Isaac Newton contribuì in maniera fondamentale a più di una branca del sapere. Pubblicò i Philosophiae Naturalis Principia Mathematica nel 1687, nella quale descrisse la legge di gravitazione universale e, attraverso le sue leggi del moto, creò i fondamenti per la meccanica classica. Newton inoltre condivise con Gottfried Wilhelm Leibniz la paternità dello sviluppo del calcolo differenziale o infinitesimale.
Newton fu il primo a dimostrare che le leggi della natura governano il movimento della Terra e degli altri corpi celesti. Egli contribuì alla Rivoluzione scientifica e al progresso della teoria eliocentrica. A Newton si deve anche la sistematizzazione matematica delle leggi di Keplero sul movimento dei pianeti. Oltre a dedurle matematicamente dalla soluzione del problema della dinamica applicata alla Forza di gravità (problema dei due corpi) ovvero dalle omonime equazioni di Newton, egli generalizzò queste leggi intuendo che le orbite (come quelle delle comete) potevano essere non solo ellittiche, ma anche iperboliche eparaboliche.
Newton fu il primo a dimostrare che la luce bianca è composta dalla somma (in frequenza) di tutti gli altri colori. Egli, infine, avanzò l'ipotesi che la luce fosse composta da particelle da cui nacque la teoria corpuscolare della luce in contrapposizione ai sostenitori della teoria ondulatoria della luce, patrocinata dall'astronomo olandese Christiaan Huygens e dall'inglese Young e corroborata alla fine dell'800 dai lavori di Maxwell e Hertz. La tesi di Newton trovò invece conferme, circa due secoli dopo, con l'intuizione del "quanto d'azione" di Max Planck e i lavori di Einstein sull'interpretazione dell'effetto fotoelettrico e la conseguente introduzione del quanto di radiazione elettromagnetica, il fotone.


video


TELESCOPIO RIFLETTORE
(configurazione newtoniana)


Il telescopio riflettore è un tipo di telescopio che raccoglie la luce per mezzo di uno specchio parabolico, concentrandola sul fuoco della parabola, dal quale può essere osservata, fotografata o analizzata mediante strumenti. Più semplici da costruire e più efficaci rispetto ai telescopi a rifrazione, sono oggi i telescopi più utilizzati per l'osservazione ottica.

Newton costruì un telescopio riflettore che usa un grande specchio concavo per far convergere i raggi luminosi in un altro specchietto più piccolo inclinato di 45° così che esso li diriga nell'oculare. Per via dello specchio concavo l'immagine dell'oggetto è notevolmente ingrandita senza la benché minima aberrazione cromatica. Newton stesso costruì degli esemplari di questo telescopio che risultarono più piccoli e potenti degli altri telescopi di allora.  

     ISAAC NEWTON, Telescopio riflettore, 1671-1766 
(Ferro, ottone, legno, replicaOpera Laboratori Fiorentini)
Nel 1668 Newton realizzò un piccolo telescopio riflettore capace di circa 35 ingrandimenti. Era composto da uno specchio concavo parabolico e uno specchietto piano, il quale deviava i raggi luminosi lateralmente verso l'oculare.

Biografia: ISAAC NEWTON

ALBERT EINSTEIN

Albert Einstein


Albert Einstein (Ulma, 14 marzo 1879 – Princeton, 18 aprile 1955) è stato un fisico e filosofo tedesco naturalizzato svizzero, divenuto in seguito cittadinostatunitense.La grandezza di Einstein è consistita nell'aver mutato per sempre il modello istituzionale di interpretazione del mondo fisico: nel 1905, l'anno ricordato comeannus mirabilis, Einstein pubblica tre articoli a contenuto fortemente innovativo, riguardanti tre aree differenti della fisica:
  • dimostra la validità della teoria dei quanti di Planck tramite l'effetto fotoelettrico dei metalli; 
  • fornisce una valutazione quantitativa del moto browniano e l'ipotesi di aleatorietà dello stesso; 
  • espone la teoria della relatività ristretta, che precede di circa un decennio quella della relatività generale
Nel 1921 ricevette il Premio Nobel per la Fisica per i suoi contributi alla fisica teorica e specialmente per la sua scoperta della legge dell'effetto fotoelettrico" e la sua fama dilagò in tutto il mondo: era un successo insolito per uno scienziato e, durante gli ultimi anni della sua vita, la fama di Einstein non fece che aumentare, superando quella di qualunque altro scienziato della storia. Nella cultura popolare, il suo nome divenne ben presto sinonimo di intelligenza e di grande genio.Oltre a essere uno dei più celebri fisici della storia della scienza, fu un grande pensatore e attivista in molti altri ambiti (dalla filosofia alla politica). Per il suo complesso apporto alle scienze e alla fisica in particolare è indicato come uno dei più importanti studiosi e pensatori del XX secolo.La sua immagine rimane a tutt'oggi una delle più conosciute del pianeta, e ne ha fatto e ne fa largo uso anche il mondo della pubblicità: si è giunti infatti, inevitabilmente, alla registrazione del marchio "Albert Einstein". 

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EFFETTO FOTOELETTRICO



In fisica dello stato solido l'effetto fotoelettrico è il fenomeno fisico caratterizzato dall'emissione di elettroni da una superficie, solitamentemetallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica avente una certa frequenza.Tale effetto, oggetto di studi da parte di molti fisici, è stato fondamentale per comprendere la natura quantistica della luce.


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Approfondimento:  Effetto Fotoelettrico


Biografia: ALBERT EINSTEIN

martedì 31 maggio 2011

STORIA DELLA FISICA...


ARISTOTELE
Tutte le concezioni viste precedentemente furono soppiantate, nel secolo IV avanti Cristo, dal sistema fisico-filosofico di Aristotele, che ha fondato la fisica sull'osservazione, distinguendo tra due mondi, quello celeste e quello terrestre. 


Raffaello, Aristotele (particolare de "La Scuola di Atene",
Vaticano, Stanza della Segnatura, 1508-1511


Il mondo celeste, incorruttibile e inalterabile, è costituito da sfere concentriche, ognuna delle quali sostiene un pianeta, ed è limitato dalla sfera delle stelle fisse; i moti delle sfere, considerati naturali ed eterni, sono impressi da un motore primo immobile. Il mondo terrestre, o sublunare, d'altra parte, fermo al centro dell'Universo, è un miscuglio di vari elementi che tendono a portarsi verso i loro "luoghi naturali", rappresentati dalle sfere concentriche della terra, dell'acqua, dell'aria e del fuoco. I moti conseguenti sono considerati naturali in contrapposizione a quelli violenti che ostacolano o deviano gli oggetti dalla realizzazione di questo fine.
L'elemento essenziale della fisica del moto, cioè della meccanica, di Aristotele è che qualsiasi moto ha bisogno di una forza per potersi mantenere. La velocità del movimento risulta direttamente proporzionale alla forza che lo sostiene e inversamente proporzionale alla resistenza del mezzo nel quale si compie. Poiché nel vuoto la resistenza è nulla, in esso la velocità di un corpo dovrebbe essere infinita. Di conseguenza, per Aristotele, il vuoto non può esistere. La concezione aristotelica, per la sua coerenza e la capacità di giustificare il sistema astronomico di Tolomeo e di fornire una visione finalistica del mondo, accettata dal cristianesimo, ha avuto per secoli un incontrastato successo. 



Modello Geocentrico

Approfondimento: Aristotele e la Terra
Aristotele tratta nelle sue opere (in particolare nella Fisica) della conformazione dell'universo; egli propone un modello geocentrico, che pone cioè laTerra al centro dell'universo.
Per quanto riguarda la Terra, secondo Aristotele, è formata da quattro elementi: la terra, l'aria, il fuoco e l'acqua. Le varie composizioni degli elementi costituiscono tutto ciò che si trova nel mondo. Ogni elemento possiede due delle quattro qualità (o «attributi») della materia:
  • il secco (terra e fuoco),
  • l'umido (aria ed acqua),
  • il freddo (acqua e terra),
  • il caldo (fuoco e aria).
Ogni elemento ha la tendenza a rimanere o a tornare nel proprio luogo naturale, che per la terra e l'acqua è il basso, mentre per l'aria e il fuoco è l'alto. La Terra come pianeta, quindi, non può che stare al centro dell'universo, poiché è formata dai due elementi tendenti al basso, e il "basso assoluto" è proprio il centro dell'universo.
Riguardo a ciò che si trova oltre la Terra, Aristotele lo riteneva composto di un quinto elemento (o essenza): l'etere. L'etere, che non esiste sulla Terra, sarebbe privo di massa, invisibile e, soprattutto, eterno ed inalterabile: queste due ultime caratteristiche sanciscono un confine tra i luoghi sub-lunari del mutamento (la Terra) e i luoghi immutabili (il cosmo).

I quattro elementi e le loro relazioni

COPERNICO
Solo molto più tardi hanno preso consistenza antichi problemi della fisica aristotelica rimasti irrisolti. Un momento decisivo del suo superamento è stato l'introduzione del sistema astronomico di Copernico che, ipotizzando l'eliocentrismo (il Sole al centro dell'Universo), era incompatibile con la fisica di Aristotele.


Copernico
ed il suo modello del Sistema Solare


Dipinto di Jan Matejko su Copernico


GALILEO
E' stato Galileo Galilei a porre le basi della nuova fisica introducendo il moderno metodo scientifico. 


Galileo Galilei dipinto da Justus Sustermans nel 1636 









"Misura ciò che è misurabile, e rendi misurabile ciò che non lo è."











Il perfezionamento e l'uso sistematico del cannocchiale lo hanno portato a negare l'esistenza di due mondi nettamente distinti: il mondo è uno solo e le leggi che si ricavano studiando i fenomeni terrestri hanno validità in tutto l'Universo. Alla base della nuova meccanica,Galilei ha posto due principi fondamentali: il principio d'inerzia e quello di relatività (galileiana). Il primo scardina la distinzione aristotelica fra moti naturali e moti violenti. Il secondo consente di conservare le stesse forme matematiche delle leggi della meccanica. 

NEWTON
Più tardi, sulla base dei suoi studi sulla caduta dei gravi, Isaac Newton ha risolto il problema delle forze che regolano il moto dei pianeti, sull'assunzione che la loro origine fosse la stessa di quelle che provocano la caduta dei corpi sulla Terra.

Isaac Newton
Al fine di conferire un solido fondamento alla trattazione della nuova fisica, nella quale le relazioni tra gli eventi sono di tipo rigorosamente deterministico (legati da rapporti di causa ed effetto), Newton ha collocato tutti i fenomeni naturali in uno spazio e in un tempo assoluti, uno spazio e un tempo che costituivano, per così dire, il palcoscenico su cui si svolgono tutti gli eventi

giovedì 26 maggio 2011

IMMAGINI

LIBRO

Isaac Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687

ARTE


Isaac Newton


Principio di Indeterminazione


FRANCOBOLLO

 Albert Einstein, Russia 1979

FUMETTO

Copertina in onore di Galileo