Storia della relatività ristretta: 1862-1913

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S ISTEMI DI COORDINATE
E LETTROMAGNETISMO
T EORIA D ’ ETERE
R ELATIVITÀ SPECIALE
Storia della relatività ristretta: 1862-1913
Gruppo scientifico dell’associazione culturale “Albatros”
S ISTEMI DI COORDINATE
I NDICE
E LETTROMAGNETISMO
T EORIA D ’ ETERE
S ISTEMI DI COORDINATE
Sistemi di coordinate
Il principio di relatività galileiano
Il principio di sovrapposizione
Fenomeni ondulatori
E LETTROMAGNETISMO
Campo elettrico
Campo magnetico
Legami fra elettricità e magnetismo
Teorema di Ampére
Legge dell’induzione
Teorema di Gauss (1/2)
Teorema di Gauss (2/2)
Misura sperimentale della velocità della luce
Le equazioni di Maxwell
Onde elettromagnetiche
Trasformazioni di Galileo
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S ISTEMI DI COORDINATE
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“S ISTEMI DI COORDINATE ”
Un sistema di coordinate nello spazio è l’insieme delle quaterne
di numeri (n1 , n2 , n3 , t). Una specifica quaterna è detta evento.
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“S ISTEMI DI COORDINATE ”
Un sistema di coordinate nello spazio è l’insieme delle quaterne
di numeri (n1 , n2 , n3 , t). Una specifica quaterna è detta evento.
S.Dalì, “La persistenza della memoria”,
olio su tela, 1931.
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“S ISTEMI DI COORDINATE ”
Un sistema di coordinate nello spazio è l’insieme delle quaterne
di numeri (n1 , n2 , n3 , t). Una specifica quaterna è detta evento.
Può essere pensato come
l’insieme delle possibili
misurazioni effettuate
mediante un regolo ed
un orologio (definizione
operativa).
S.Dalì, “La persistenza della memoria”,
olio su tela, 1931.
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S ISTEMA DI COORDINATE CARTESIANO ORTOGONALE
( NEL PIANO )
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S ISTEMA DI COORDINATE CARTESIANO ORTOGONALE
( NEL PIANO )
Ciascun punto del piano è
individuato da due numeri
(x, y), l’ascissa x e l’ordinata y.
Possono essere pensati,
rispettivamente, come la
lunghezza dei percorsi da fare
verso est e verso nord per
andare dall’origine verso il
punto in esame. L’ordine non
conta...
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S ISTEMA DI COORDINATE CARTESIANO ORTOGONALE
( NEL PIANO )
Ciascun punto del piano è
individuato da due numeri
(x, y), l’ascissa x e l’ordinata y.
Possono essere pensati,
rispettivamente, come la
lunghezza dei percorsi da fare
verso est e verso nord per
andare dall’origine verso il
punto in esame. L’ordine non
conta...
La distanza l dall’origine del sistema di coordinate è data dal
teorema di Pitagora
l2 = x2 + y2
(1)
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S ISTEMA DI COORDINATE POLARI ( NEL PIANO )
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S ISTEMA DI COORDINATE POLARI ( NEL PIANO )
Ciascun punto del piano è
individuato da due numeri
(r, θ), la distanza r e l’angolo θ.
Possono essere pensati,
rispettivamente, come la
L’ordine non conta...
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S ISTEMA DI COORDINATE POLARI ( NEL PIANO )
Ciascun punto del piano è
individuato da due numeri
(r, θ), la distanza r e l’angolo θ.
Possono essere pensati,
rispettivamente, come la
L’ordine non conta...
La distanza l dall’origine del sistema di coordinate è data dal
teorema di Pitagora
l2 = r2
(2)
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S ISTEMI DI COORDINATE INERZIALI
Collochiamo ora un orologio in ogni punto di un sistema di
coordinate. Come cambia la descrizione di un fenomeno, a
seconda dello stato di moto dell’osservatore?
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“Rinserratevi con qualche amico nella maggiore stanza che sia
sotto coverta di alcun gran navilio, e quivi fate d’aver mosche,
farfalle e simili animaletti volanti: siavi anco un gran vaso
d’acqua, e dentrovi de’ pescetti; sospendasi anco in alto
qualche secchiello, che a goccia a goccia vada versando
dell’acqua in un altro vaso di angusta bocca che sia posto a
basso; e stando ferma la nave, osservate diligentemente come
quelli animaletti volanti con pari velocità vanno verso tutte le
parti della stanza. [...] Osservate che avrete diligentemente
tutte queste cose, benché niun dubbio ci sia mentre il vascello
sta fermo non debbano succedere così: fate muovere la nave
con quanta si voglia velocità; ché (pur di moto uniforme e non
fluttuante in qua e in là) voi non riconoscerete una minima
mutazione in tutti li nominati effetti; né da alcuno di quelli
potrete comprendere se la nave cammina, o pure sta ferma. ‘’
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“Rinserratevi con qualche amico nella maggiore stanza che sia
sotto coverta di alcun gran navilio, e quivi fate d’aver mosche,
farfalle e simili animaletti volanti: siavi anco un gran vaso
d’acqua, e dentrovi de’ pescetti; sospendasi anco in alto
qualche secchiello, che a goccia a goccia vada versando
dell’acqua in un altro vaso di angusta bocca che sia posto a
basso; e stando ferma la nave, osservate diligentemente come
quelli animaletti volanti con pari velocità vanno verso tutte le
parti della stanza. [...] Osservate che avrete diligentemente
tutte queste cose, benché niun dubbio ci sia mentre il vascello
sta fermo non debbano succedere così: fate muovere la nave
con quanta si voglia velocità; ché (pur di moto uniforme e non
fluttuante in qua e in là) voi non riconoscerete una minima
mutazione in tutti li nominati effetti; né da alcuno di quelli
potrete comprendere se la nave cammina, o pure sta ferma. ‘’
(Salviati nella Giornata Seconda del “Dialogo sopra i due
massimi sistemi del mondo”)
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I L PRINCIPIO DI RELATIVITÀ GALILEIANO
Galileo Galilei (Pisa, 1564 – Arcetri, 1642)
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I L PRINCIPIO DI RELATIVITÀ GALILEIANO
Tutti i sistemi di
riferimento per i quali
non è possibile
accorgersi del moto
(rettilineo ed uniforme) con
esperimenti interamente
svolti “senza riferirsi
all’esterno” sono detti
inerziali (cfr. “Sul ruolo
delle simmetrie in
fisica”)..
Galileo Galilei (Pisa, 1564 – Arcetri, 1642)
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I L PRINCIPIO DI RELATIVITÀ GALILEIANO
Tutti i sistemi di
riferimento per i quali
non è possibile
accorgersi del moto
(rettilineo ed uniforme) con
esperimenti interamente
svolti “senza riferirsi
all’esterno” sono detti
inerziali (cfr. “Sul ruolo
delle simmetrie in
fisica”)..
Tutte le leggi della
natura, ad ogni istante,
si presentano nella
stessa forma.
Galileo Galilei (Pisa, 1564 – Arcetri, 1642)
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Conclusione: il moto relativo di due osservatori inerziali, O
ed O0 , è rettilineo ed uniforme.
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Conclusione: il moto relativo di due osservatori inerziali, O
ed O0 , è rettilineo ed uniforme.
Senza perdere di generalità,
scegliamo coordinate cartesiani
ortogonali con ascisse lungo la
congiungente le due origini O0
ed O0 . Tali origini sono scelte
coincidenti a t = t0 = 0.
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T RASFORMAZIONI GALILEIANE
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T RASFORMAZIONI GALILEIANE
x0 = x − vt
y0 = y
z0 = z
t0 = t
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T RASFORMAZIONI GALILEIANE
x0 = x − vt
y0 = y
z0 = z
t0 = t
“[tempus] sine relatione ad
externum quodvis equabiliter
fluit”
(Isaac Newton, “Philosophiae
naturalis principia
mathematica”,Libro I, Scolio alle
Definizione VIII)
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T RASPORTO IN UNA DIMENSIONE
Una certa perturbazione muove lungo l’asse x a velocità v.
L’osservatore O “riceve” la perturbazione la quale, in generale,
è funzione delle sue coordinate (x, t), evolvendo nel tempo.
Pertanto, descriverà il fenomeno con una certa funzione
u = u(x, t).
L’osservatore O0 , che si trova a cavallo della perturbazione, la
vede ferma nel suo sistema di riferimento (mentre vede O
muoversi a velocità −v). Questi, quindi, fornisce una
descrizione puramente spaziale della perturbazione
descrivendola con una certa funzione F = F(x0 ).
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T RASPORTO IN UNA DIMENSIONE
Una certa perturbazione muove lungo l’asse x a velocità v.
L’osservatore O “riceve” la perturbazione la quale, in generale,
è funzione delle sue coordinate (x, t), evolvendo nel tempo.
Pertanto, descriverà il fenomeno con una certa funzione
u = u(x, t).
L’osservatore O0 , che si trova a cavallo della perturbazione, la
vede ferma nel suo sistema di riferimento (mentre vede O
muoversi a velocità −v). Questi, quindi, fornisce una
descrizione puramente spaziale della perturbazione
descrivendola con una certa funzione F = F(x0 ).
Dal principio di relatività galileiano discende che
u(x, t) = F(x0 ) = F(x − vt)
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I L PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE
“L’effetto dipende linearmente
dalle cause cioè, triplicando
l’intensità della causa triplica
l’effetto. Questo accade se le
equazioni che legano gli effetti
alle cause sono lineari.”
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P OZZANGHERE E PROIETTILI
Un corpo in moto in un mezzo
può essere pensato, istante per
istante, come sorgente
puntiforme di perturbazioni
che possono interferire
costruttivamente (o
distruttivamente) in altri punti
dello spazio, ad istanti
successivi.
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C OS ’ È UN ’ ONDA
I
I
Un’onda è una oscillazione o perturbazione locale di una
certa quantità che si propaga nello spazio con certe
regolarità.
Esempi di onde meccaniche comuni:
I
I
L’altezza del pelo d’acqua di un bacino spazzato dai venti.
Il suono, che propaga in aria, in acqua o in uno
sfigmomanometro.
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Q UANTITÀ FONDAMENTALI RELATIVE AD UN ’ ONDA
I
Ampiezza (e.g.altezza di
una cresta d’onda marina).
I
Lunghezza d’onda λ. A
tempo fissato (e.g.:
fotografia), è la distanza
tra due punti omologhi sul
profilo d’onda.
I
Frequenza ν. Misura la
differenza temporale tra
due configurazioni
omologhe a posizione
fissata (e.g.: stare in piedi
sul bagnasciuga).
Jean-Baptiste d’Alembert
(1717-1783)
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L’ EQUAZIONE DELLE ONDE O DI D ’A LEMBERT
ϕ(x, t) = 0
= ∇2 −
1 ∂2
c2 ∂t2
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L’ EQUAZIONE DELLE ONDE O DI D ’A LEMBERT
ϕ(x, t) = 0
= ∇2 −
1 ∂2
c2 ∂t2
N.B.=c è la velocità di
propagazione dell’onda.
Nel caso di una corda
vibrante con estremità
fissate, la forza di
richiamo locale sentita
da un punto della corda
è proporzionale alla
curvatura (anch’essa,
locale).
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L’ EQUAZIONE DELLE ONDE O DI D ’A LEMBERT
ϕ(x, t) = 0
= ∇2 −
1 ∂2
c2 ∂t2
N.B.=c è la velocità di
propagazione dell’onda.
Nel caso di una corda
vibrante con estremità
fissate, la forza di
richiamo locale sentita
da un punto della corda
è proporzionale alla
curvatura (anch’essa,
locale).
Jean-Baptiste d’Alembert (1717-1783)
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L’ EQUAZIONE DELLE ONDE O DI D ’A LEMBERT
ϕ(x, t) = 0
= ∇2 −
1 ∂2
c2 ∂t2
N.B.=c è la velocità di
propagazione dell’onda.
Nel caso di una corda
vibrante con estremità
fissate, la forza di
richiamo locale sentita
da un punto della corda
è proporzionale alla
curvatura (anch’essa,
locale).
Tipico profilo d’onda sinusoidale
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C AMPO ELETTRICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica.
Carica positiva
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C AMPO ELETTRICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica.
Cariche di prova
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C AMPO ELETTRICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica.
Doppia carica positiva
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C AMPO ELETTRICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica.
Dipolo
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C AMPO ELETTRICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica.
Quadrupolo
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C AMPO ELETTRICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica.
Cilindro e filo carichi
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C AMPO ELETTRICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica.
Condensatore
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C AMPO MAGNETICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica IN MOTO
(corrente).
Spira percorsa da corrente
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C AMPO MAGNETICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica IN MOTO
(corrente).
‘Corrente’ di prova
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C AMPO MAGNETICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica IN MOTO
(corrente).
Filo percorso da corrente
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C AMPO MAGNETICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica IN MOTO
(corrente).
Doppio filo
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C AMPO MAGNETICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica IN MOTO
(corrente).
Solenoide toroidale
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C AMPO MAGNETICO
É la PERTURBAZIONE
dello spazio generata da
una (distribuzione di)
carica elettrica IN MOTO
(corrente).
Magnete
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L EGAMI FRA ELETTRICITÀ E MAGNETISMO
Hans Christian Ørsted
(1717-1783)
‘Ago e filo’
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T EOREMA DI A MPÉRE
André-Marie Ampére
(1775-1836)
Doppio filo percorso da corrente
La CIRCUITAZIONE di un campo magnetico lungo una linea
CHIUSA è pari alla densità di corrente che passa all’interno.
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T EOREMA DI A MPÉRE
André-Marie Ampére
(1775-1836)
Doppio filo percorso da corrente
∇ × B = µ0 J
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L EGGE DELL’ INDUZIONE
‘Trasformatore’
Michael Faraday
(1791-1867)
La CIRCUITAZIONE (forza elettromotrice) di un campo elettrico
lungo una linea CHIUSA è pari all’opposto della variazione
temporale del FLUSSO di un campo magnetico attraverso la
superficie che ha quella linea come contorno.
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L EGGE DELL’ INDUZIONE
‘Trasformatore’
Michael Faraday
(1791-1867)
∇×E=−
∂B
∂t
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T EOREMA DI G AUSS (1/2)
Carl Friedrich Gauss
(1777-1855)
Filo carico
Il FLUSSO di un campo elettrico attraverso una superficie
CHIUSA è pari alla quantità di carica contenuta all’interno.
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T EOREMA DI G AUSS (1/2)
Carl Friedrich Gauss
(1777-1855)
Dipolo
Il FLUSSO di un campo elettrico attraverso una superficie
CHIUSA è pari alla quantità di carica contenuta all’interno.
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T EOREMA DI G AUSS (1/2)
Carl Friedrich Gauss
(1777-1855)
Condensatore
Il FLUSSO di un campo elettrico attraverso una superficie
CHIUSA è pari alla quantità di carica contenuta all’interno.
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T EOREMA DI G AUSS (1/2)
Carl Friedrich Gauss
(1777-1855)
Condensatore
∇·E=
ρ
ε0
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T EOREMA DI G AUSS (2/2)
Carl Friedrich Gauss
(1777-1855)
Magnete
Il FLUSSO di un campo magnetico attraverso una superficie
CHIUSA è zero.
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T EOREMA DI G AUSS (2/2)
Carl Friedrich Gauss
(1777-1855)
Magnete
∇·B=0
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FARADAY:
Mi è capitato di scoprire una relazione diretta fra magnetismo e luce,
e anche fra elettricità e luce, e il campo di studi che ciò apre è così
vasto e - credo - ricco.
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M ISURA SPERIMENTALE DELLA VELOCITÀ DELLA
LUCE
Hyppolite Fizeau
(1819-1896)
Apparato sperimentale di Fizeau
Fizeau trova c = 310000 km/s.
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L E EQUAZIONI DI M AXWELL
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
I
Teorema di GaussE
I
Teorema di GaussB
I
Teorema di Ampére∗
I
Legge dell’induzione
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L E EQUAZIONI DI M AXWELL
∇·E=
ρ
ε0
∇·B=0
∇ × B = µ0 (J + ε0
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
∇×E=−
∂B
∂t
∂E
)
∂t
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L E EQUAZIONI DI M AXWELL
∇·E=
ρ
ε0
∇·B=0
∇ × B = µ0 (J + ε0
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
∇×E=−
∂B
∂t
∂E
)
∂t
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L E EQUAZIONI DI M AXWELL
∇·E=
ρ
ε0
∇·B=0
∇ × B = µ0 (J + ε0
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
∇×E=−
∂B
∂t
∂E
)
∂t
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L E EQUAZIONI DI M AXWELL
∇·E=
ρ
ε0
∇·B=0
∇ × B = µ0 (J + ε0
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
∇×E=−
∂B
∂t
∂E
)
∂t
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L E EQUAZIONI DI M AXWELL
∇·E=
ρ
ε0
∇·B=0
∇ × B = µ0 (J + ε0
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
∇×E=
∂B
∂t
∂E
)
∂t
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L E EQUAZIONI DI M AXWELL
∇·E=
ρ
ε0
∇·B=0
∇ × B = µ0 (J + ε0
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
∇×E=−
∂B
∂t
∂E
)
∂t
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L E EQUAZIONI DI M AXWELL NEL VUOTO
∇·E=0
∇·B=0
∇ × B = µ 0 ε0
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
∇×E=−
∂E
∂t
∂B
∂t
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O NDE ELETTROMAGNETICHE
I campi E e B hanno
un’ENERGIA IMMAGAZZINATA
in ogni punto dello spazio (che
determina il moto delle
cariche).
Antenna
Le eq. di Maxwell determinano
una CONCATENAZIONE dei
campi E e B che genera un
TRASPORTO DI ENERGIA nello
spazio circostante.
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O NDE ELETTROMAGNETICHE
Eq. di Maxwell
∇·E=0
I campi E e B accoppiati dalle eq. di
Maxwell sono ortogonali: E · B = 0.
∇·B=0
∇ × B = µ 0 ε0
∇×E=−
∂E
∂t
∂B
∂t
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O NDE ELETTROMAGNETICHE
Eq. di Maxwell
Come variano i campi nel tempo e
nello spazio? Bisogna fare i conti!
∇·E=0
∇·B=0
∇ × B = µ 0 ε0
∇×E=−
∂E
∂t
∂B
∂t
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E LETTROMAGNETISMO
T EORIA D ’ ETERE
R ELATIVITÀ SPECIALE
O NDE ELETTROMAGNETICHE
Eq. di Maxwell
Come variano i campi nel tempo e
nello spazio? Bisogna fare i conti!
∇·E=0
∇·B=0
∇ × B = µ 0 ε0
∇×E=−
∂E
∂t
∂B
∂t
∇ 2 E − µ0 ε 0
∂2E
=0
∂t2
∇ 2 B − µ0 ε 0
∂2B
=0
∂t2
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E LETTROMAGNETISMO
T EORIA D ’ ETERE
R ELATIVITÀ SPECIALE
O NDE ELETTROMAGNETICHE
Otteniamo che LA RADIAZIONE
ELETTROMAGNETICA (cioè il
trasporto dell’energia immagazzinata
dai campi) È UN FENOMENO
ONDULATORIO.
∇2 A(x, t) − µ0 ε0
∂ 2 A(x, t)
=0
∂t2
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R ELATIVITÀ SPECIALE
O NDE ELETTROMAGNETICHE
Otteniamo che LA RADIAZIONE
ELETTROMAGNETICA (cioè il
trasporto dell’energia immagazzinata
dai campi) È UN FENOMENO
ONDULATORIO.
∇2 A(x, t) − µ0 ε0
∂ 2 A(x, t)
=0
∂t2
v≡c= √
1
µ 0 ε0
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O NDE ELETTROMAGNETICHE
ε0 = 8.8541878 × 10−12 F/m,
µ0 = 1.256637 × 10−6 H/m
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O NDE ELETTROMAGNETICHE
ε0 = 8.8541878 × 10−12 F/m,
c= √
µ0 = 1.256637 × 10−6 H/m
1
= 299800 km/s
µ 0 ε0
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O NDE ELETTROMAGNETICHE
ε0 = 8.8541878 × 10−12 F/m,
c= √
µ0 = 1.256637 × 10−6 H/m
1
= 299800 km/s
µ 0 ε0
cFizeau = 310000 km/s
I due valori di c coincidono con un errore del 5%.
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R ELATIVITÀ SPECIALE
M AXWELL:
L’accordo dei risultati suggerisce che luce e magnetismo siano
declinazioni di una medesima sostanza, e che la luce sia un disturbo
elettromagnetico propagato attraverso il campo seguendo le leggi
dell’elettromagnetismo.
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R ELATIVITÀ SPECIALE
T RASFORMAZIONI DI G ALILEO
Trasformiamo le eq. di Maxwell da un sistema di riferimento
inerziale all’altro.
(
x0 = x − vt
t0 = t
1 ∂2
∇ − 2 2 A(x, t) = 0
c ∂t
2
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T RASFORMAZIONI DI G ALILEO
Trasformiamo le eq. di Maxwell da un sistema di riferimento
inerziale all’altro.
(
x0 = x − vt
t0 = t
"
1 ∂2
∇ − 2 2 A(x, t) = 0
c ∂t
2
1
∇ − 2
c
02
∂
−v∇0
∂t0
2 #
A(x0 , t0 ) = 0
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T RASFORMAZIONI DI G ALILEO
Trasformiamo le eq. di Maxwell da un sistema di riferimento
inerziale all’altro.
Termine SBAGLIATO ?! Che
(
succede? Tutto quello che
x0 = x − vt
abbiamo detto non vale più?
t0 = t
"
1 ∂2
∇ − 2 2 A(x, t) = 0
c ∂t
2
1
∇ − 2
c
02
∂
−v∇0
∂t0
2 #
A(x0 , t0 ) = 0
S ISTEMI DI COORDINATE
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T RASFORMAZIONI DI G ALILEO
Trasformiamo le eq. di Maxwell da un sistema di riferimento
inerziale all’altro.
(
x0 = x − vt
t0 = t
"
S TIAMO CALMI .
1 ∂2
∇ − 2 2 A(x, t) = 0
c ∂t
2
1
∇02 − 2
c
∂
−v∇0
∂t0
2 #
A(x0 , t0 ) = 0
S ISTEMI DI COORDINATE
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T RASFORMAZIONI DI G ALILEO
Trasformiamo le eq. di Maxwell da un sistema di riferimento
inerziale all’altro.
(
x0 = x − vt
t0 = t
"
1 ∂2
∇ − 2 2 A(x, t) = 0
c ∂t
2
1
∇02 − 2
c
∂
−v∇0
∂t0
2 #
A(x0 , t0 ) = 0
S TIAMO CALMI .
Per gli altri fenomeni
ondulatori non ci sono
problemi perché si propagano
in un MEZZO.
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T RASFORMAZIONI DI G ALILEO
Trasformiamo le eq. di Maxwell da un sistema di riferimento
inerziale all’altro.
(
x0 = x − vt
t0 = t
"
1 ∂2
∇ − 2 2 A(x, t) = 0
c ∂t
2
1
∇02 − 2
c
∂
−v∇0
∂t0
2 #
A(x0 , t0 ) = 0
S TIAMO CALMI .
Per gli altri fenomeni
ondulatori non ci sono
problemi perché si propagano
in un MEZZO.
Q UINDI anche la luce si deve
propagare in un mezzo.
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T RASFORMAZIONI DI G ALILEO
Trasformiamo le eq. di Maxwell da un sistema di riferimento
inerziale all’altro.
(
x0 = x − vt
t0 = t
"
1 ∂2
∇ − 2 2 A(x, t) = 0
c ∂t
2
1
∇02 − 2
c
∂
−v∇0
∂t0
2 #
A(x0 , t0 ) = 0
S TIAMO CALMI .
Per gli altri fenomeni
ondulatori non ci sono
problemi perché si propagano
in un MEZZO.
Q UINDI anche la luce si deve
propagare in un mezzo.
M A la luce sembra propagarsi
nel vuoto.
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T RASFORMAZIONI DI G ALILEO
Trasformiamo le eq. di Maxwell da un sistema di riferimento
inerziale all’altro.
(
x0 = x − vt
t0 = t
"
1 ∂2
∇ − 2 2 A(x, t) = 0
c ∂t
2
1
∇02 − 2
c
∂
−v∇0
∂t0
2 #
A(x0 , t0 ) = 0
S TIAMO CALMI .
Per gli altri fenomeni
ondulatori non ci sono
problemi perché si propagano
in un MEZZO.
Q UINDI anche la luce si deve
propagare in un mezzo.
M A la luce sembra propagarsi
nel vuoto.
=⇒ Il VUOTO non è vuoto ma
c’è l’ETERE.
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P ROBLEMA CONDUTTORE - MAGNETE
Spira vs magnete
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P ROBLEMA CONDUTTORE - MAGNETE
La corrente generata nella spira
è la stessa, ma per l’osservatore
A) la forza che muove le
cariche ha origine elettrica, per
B) magnetica.
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P ROBLEMA CONDUTTORE - MAGNETE
Un osservatore vede o meno un
campo magnetico a seconda
che sia o meno in moto relativo
rispetto alla carica.
Osservatore in moto rispetto a una
carica
S OLUZIONE : le eq. di Maxwell valgono solo nel sistema di
riferimento privilegiato in cui l’etere è a riposo.
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A BERRAZIONE STELLARE
Si tratta di un fenomeno astronomico che produce uno
SPOSTAMENTO APPARENTE degli oggesti celesti rispetto alla
loro posizione, in dipendenza dalla VELOCITÀ
DELL’ OSSERVATORE.
James Bradley (1693-1762)
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A BERRAZIONE STELLARE
Si tratta di un fenomeno astronomico che produce uno
SPOSTAMENTO APPARENTE degli oggesti celesti rispetto alla
loro posizione, in dipendenza dalla VELOCITÀ
DELL’ OSSERVATORE.
Osservatore sulla stella
Osservatore sulla Terra
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A BERRAZIONE STELLARE
Si tratta di un fenomeno astronomico che produce uno
SPOSTAMENTO APPARENTE degli oggesti celesti rispetto alla
loro posizione, in dipendenza dalla VELOCITÀ
DELL’ OSSERVATORE.
Osservatore sulla Terra
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A BERRAZIONE STELLARE
E l’etere?
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A BERRAZIONE STELLARE
E l’etere?
Se lo spazio fra la Terra e la stella fosse permeato da un mezzo
NON vedremmo aberrazione...
... a meno che l’etere non sia IMMOBILE rispetto alla Terra:
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E TERE IMMOBILE
P ROBLEMI :
Thomas Young (1773-1829)
I
Risultati diversi per telescopi a
indice di rifrazione diverso.
I
L’etere dev’essere IMMATERIALE
e i pianeti lo devono attraversare
senza attrito o altri effetti
discernibili, MA allo stesso tempo
deve rispondere molto
rapidamente a
compressioni/dilatazioni
meccaniche per garantire l’alta
velocità della luce.
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E TERE TRASCINATO ?
Trascinamento dell’etere da parte dei corpi (in dipendenza
dall’indice di rifrazione).
I raggi di luce vengono deviati vicino ai corpi.
Augustin-Jean Fresnel (1788–1827)
Sir George Gabriel Stokes
(1819–1903)
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E TERE TRASCINATO ?
Trascinamento dell’etere da parte dei corpi (in dipendenza
dall’indice di rifrazione).
I raggi di luce vengono deviati vicino ai corpi.
P ROBLEMI :
I
Effetti di turbolenza
dell’etere non osservati.
I
Difficoltà con la
polarizzazione della luce.
I
Problemi con la
matematica.
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E TERE TRASCINATO ?
Trascinamento dell’etere da parte dei corpi (in dipendenza
dall’indice di rifrazione).
I raggi di luce vengono deviati vicino ai corpi.
P ROBLEMI :
I
Effetti di turbolenza
dell’etere non osservati.
I
Difficoltà con la
polarizzazione della luce.
I
Problemi con la
matematica.
=⇒ Idea non buona. L’etere torna immobile. I problemi con
l’aberrazione restano irrisolti.
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L’ ESPERIMENTO DI M ICHELSON E M ORLEY
Albert A. Michelson (1852-1931)
Edward W. Morley (1838–1923)
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L’ ESPERIMENTO DI M ICHELSON E M ORLEY
Interferometro di Michelson
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L’ ESPERIMENTO DI M ICHELSON E M ORLEY
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I L 1905, L’annus mirabilis di A LBERT E INSTEIN
I
“Un punto di vista euristico sulla produzione e sulla
trasformazione della luce” (18 marzo 1905)
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I L 1905, L’annus mirabilis di A LBERT E INSTEIN
I
“Un punto di vista euristico sulla produzione e sulla
trasformazione della luce” (18 marzo 1905)
I
“Sul moto di piccole particelle sospese in un liquido
stazionario, come richiesto dalla teoria cinetica molecolare
del calore” (11 maggio 1905)
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I L 1905, L’annus mirabilis di A LBERT E INSTEIN
I
“Un punto di vista euristico sulla produzione e sulla
trasformazione della luce” (18 marzo 1905)
I
“Sul moto di piccole particelle sospese in un liquido
stazionario, come richiesto dalla teoria cinetica molecolare
del calore” (11 maggio 1905)
I
“Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento” (30
giugno 1905)
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I L 1905, L’annus mirabilis di A LBERT E INSTEIN
I
“Un punto di vista euristico sulla produzione e sulla
trasformazione della luce” (18 marzo 1905)
I
“Sul moto di piccole particelle sospese in un liquido
stazionario, come richiesto dalla teoria cinetica molecolare
del calore” (11 maggio 1905)
I
“Sull’elettrodinamica dei corpi in movimento” (30
giugno 1905)
I
“L’inerzia di un corpo dipende dal suo contenuto
energetico?”(27 settembre 1905)
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I PRINCIPI DELLA RELATIVITÀ RISTRETTA
I
I
Vale il principio di relatività.
La velocità della luce nel vuoto è fissa, sia per osservatori a
riposo che per osservatori in moto rettilineo uniforme.
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I PRINCIPI DELLA RELATIVITÀ RISTRETTA
I
I
Vale il principio di relatività.
La velocità della luce nel vuoto è fissa, sia per osservatori a
riposo che per osservatori in moto rettilineo uniforme.
x0 = γ(x − vt)
y0 = y
z0 = z
t0 = γ(t −
v
x)
c2
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C ONO DI LUCE
X2
t2
2
= xt2 = c2 è un vincolo geometrico sugli eventi “causalmente
connessi” con un evento dato.
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L ORENTZ E LA CONTRAZIONE DELLE LUNGHEZZE
Hendrik Lorentz (1853-1928)
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R ELATIVITÀ SPECIALE
L ORENTZ E LA CONTRAZIONE DELLE LUNGHEZZE
x0 = x − vt
y0 = y
z0 = z
t0 = t
Un regolo si muove lungo l’asse x. O’, l’osservatore a cavallo
del regolo (coordinate primate) lo misura e dichiare che è lungo
l0 = x02 − x01 . Quanto è lungo secondo l’osservatore O? Se
trasformiamo secondo galileo
l0 = x02 − x01 = x2 − vt − (x1 − vt) = x2 − x1 = l. I due osservatori
concordano sulla lunghezza del regolo.
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L ORENTZ E LA CONTRAZIONE DELLE LUNGHEZZE
x0 = x − vt
y0 = y
x0 = γ(x − vt)
y0 = y
z0 = z
z0 = z
t0 = t
t0 = γ(t −
v
x)
c2
Un regolo si muove lungo l’asse x. O’, l’osservatore a cavallo
del regolo (coordinate primate) lo misura e dichiare che è lungo
l0 = x02 − x01 . Quanto è lungo secondo l’osservatore O? Se
trasformiamo secondo galileo
l0 = x02 − x01 = x2 − vt − (x1 − vt) = x2 − x1 = l. I due osservatori
concordano sulla lunghezza del regolo. Se trasformiamo
secondo Lorentz
l0 = γ(x2 − vt) − γ(x1 − vt) = γ(x2 − x1 −
vt + vt) = γl
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R ELATIVITÀ DELLA SIMULTANEITÀ
R ELATIVITÀ SPECIALE
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R ELATIVITÀ SPECIALE
D ILATAZIONE DEI TEMPI
La legge di trasformazione dei tempi dipende dalla velocità e
coinvolge anche la posizione: il tempo è locale.
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D ILATAZIONE DEI TEMPI
La legge di trasformazione dei tempi dipende dalla velocità e
coinvolge anche la posizione: il tempo è locale.
Osservatore comobile
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D ILATAZIONE DEI TEMPI
La legge di trasformazione dei tempi dipende dalla velocità e
coinvolge anche la posizione: il tempo è locale.
Osservatore comobile
Osservatore a riposo
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D ILATAZIONE DEI TEMPI
La legge di trasformazione dei tempi dipende dalla velocità e
coinvolge anche la posizione: il tempo è locale.
Osservatore comobile
Osservatore a riposo
∆t0 = γ∆t
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I L MESONE µ
I
La vita media di un muone µ+
misurata in laboratorio è di
2, 2x10−6 s.
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I L MESONE µ
I
La vita media di un muone µ+
misurata in laboratorio è di
2, 2x10−6 s.
I
I muoni sono tra i prodotti
dell’ìnterazione tra raggi cosmici
e gli strati più esterni
dell’atmosfera terrestre.
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I L MESONE µ
I
La vita media di un muone µ+
misurata in laboratorio è di
2, 2x10−6 s.
I
I muoni sono tra i prodotti
dell’ìnterazione tra raggi cosmici
e gli strati più esterni
dell’atmosfera terrestre.
I
Supponendo che viaggino al
0, 98c, percorrerebbero in media
∼ 600m prima di decadere.
Eppure, li riveliamo a terra.
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I L PARADOSSO DEI GEMELLI
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U N PO ’ DI FOLKLORE
I fenomeni elettromagnetici possono essere descritti con un
formalismo (relativistico) che risolve i problemi da cui siamo
partiti. Le equazioni di Maxwell sono:
d ∗ F = 4π ∗ J ,
ove
Fµν = ∂µ Aν − ∂ν Aµ
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R ELATIVITÀ SPECIALE
B IBLIOGRAFIA ESSENZIALE
Tutte le immagini dei campi sono state ottenute con
applicazioni del sito
http://www.falstad.com/mathphysics.html
Buona parte delle immagini è stata reperita su
http://en.wikipedia.org/
Il concept della presentazione è basato sulle lezioni
introduttive del corso ‘Meccanica Quantistica e Relatività’
tenute dal Prof. F. Rapuano dell’Università degli Studi di
Milano-Bicocca.
R.P.Feynman
Sei pezzi meno facili
Adelphi, 2007
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