Epistemologia e storia della fisica

Ottica
Antichi
•Fenomeni noti dall’antichità (propagazione della luce, riflessione e rifrazione,
specchi ed anche lenti, conoscenze empiriche di ottica)
•300 AC - Euclide di Alessandria (ottica, tra l’altro…).
•150 – Claudio Tolomeo ed Erone di Alessandria, trattati di ottica e tentativi
di rendere quantitative le leggi della riflessione e della rifrazione
•1000 –Abu Ali al-Hasan ibn al-Haitam (Alhazen) scrive un esteso trattato
che viene tradotto in latino solo nel 1270.
•1168-1253 Roberto Grossatesta, De iride e De luce.
•1214-1294 Ruggero Bacone, ottica e geometria.
•1300- Teodorico di Freiberg, teoria geometrica della rifrazione.
•1280-1500-Costruzione di lenti ed occhiali (con lenti convesse e concave).
Ottica
Rinascimento
•1618 – Francesco Maria Grimaldi, scopre le frange di diffrazione della luce e
si convince della natura ondulatoria della luce. La teoria non viene considerata
ma nel 1665 descriverà teoria ed esperimenti in Physico-mathesis de
lumine coloribus et iride.
1621- Willebrord van Roijen Snell (1580-1626), leggi della riflessione e
della rifrazione.
1637 – Cartesio, in appendice al Discorso sul metodo, pubblica un lavoro sull’ottica
1657-61 – Pierre de Fermat, principio dei cammini ottici.
1660 - Robert Hooke (1635-1703)
in Micrographia espone una teoria della propagazione della luce come onde
di tipo elastico.
1667 – Christiaan Huyghens (1629-95) Treatise on Light, Traité de la Lumière (’90)
1704 – Isaac Newton (1642-1727) Optics.
Ottica
Primo ottocendo
1801 – Thomas Young (1773-1829) Interferenza della luce, Polarizzazione
trasversa delle onde luminose. Etere.
1801 – Johann Georg von Soldner, calcola la deflessione di un raggio di luce in
prossimità della superficie del sole, assumendo velocità finita e corpuscoli
massivi.
1814-18 – Augustin Jean Fresnel (1788-1827) Interferenza onde, ottica ondulatoria,
teoria dell’etere luminifero.
1825 – Lavori di Ampère sull’elettrodinamica
Misure di c
• Whilst the finiteness of the velocity of light (indicated as usual by c)
was suspected by many philosophers and physicists (Galileo Galilei
had suggested a method to measure it, but he probably never carried it
out), it was Oleg Roemer, an assistant of J. D. Cassini in Paris, who
got a first reliable indication of its high value, by using purely
astronomical means. Finally, in 1727 G. Bradley discovered on  Dra
(a star not too distant from the ecliptic pole) the effect of this finite
velocity as a periodic variation of the apparent coordinates measured at
successive dates by the terrestrial observer, during the yearly
revolution around the Sun. The velocity that could be derived from
these astronomical observations was confirmed around 1850 by Fizeau
and Foucault.
Ottica
Fine ottocento
•1845-50 – Fizeau inizia misure di laboratorio sulla velocità della luce.
Contributi di Weber, Grove e Stokes.
•1855-1865 – James Clerk Maxwell (1831-1879) Equazioni dei campi, propagazione
delle onde e.em., la natura della luce, la velocità della luce.
The dynamical theory of electromagnetic field, 1864, 1865
•1875 – Heinrich A. Lorentz (1853-1928), rideriva dalla teoria di Maxwell le leggi
dell’ottica.
•1880 – Si ipotizzano misure possibili per evidenziare il moto della terra rispetto
all’etere.
•1884 – Contributi di Hertz e Poynting.
•1886 – Oliver Heaviside (1850-1925), semplifica nella forma moderna le equazioni
dell’elettromagnetismo, usando i simboli del calcolo vettoriale grad, div, rot
•1887- Heinrich Rudolf Hertz, produce e studia onde e.m. nell’intervallo dei GHz.
Ottica
Novecento
•1889-G.F. Fitzgerald ipotizza una contrazione delle lunghezze nei corpi in moto
per spiegare la mancata evidenza del moto dell’etere negli esperimenti di
Michelson-Morley. Velocità limite.
•1890 – Hertz riformula e semplifica le equazioni dell’elettrodinamica.
•1895-1900 – H. A. Lorentz sviluppa più rigorosamente le idee di Fitzgerald e
la dinamica delle particelle cariche in presenza di campi.
Jules H. Poincaré (1854-1912) esamina gli aspetti della velocità finita
della luce, della apparente costanza della velocità della luce e della
sincronizzazione degli orologi nei sistemi in moto.
•1896-97 – W. Wien (1864-1928) Studio della radiazione termica (radiazione del
corpo nero)
•1900 – Ipotesi di M. Planck sulla radiazione del corpo nero. Effetto quantistico.
• ca. 1900 – Osservazioni sperimentali su effetto fotoelettrico. Altri limiti della
descrizione classica che non spiega il ruolo della frequenza dell’o.e.
•1905 – Albert Einstein (1879-1955) – Spiegazione dell’effetto fotoelettrico.
Quantizzazione dell’energia della radiazione.
•1905 – A. Einstein, teoria della relatività speciale.
•1907 – H. Minkowski (1964-1909) reinterpreta la relatività speciale come proprietà
dello spazio tempo a partire dalle proprietà di simmetria (teoria dei gruppi)
dell’equazioni della elettrodinamica.
Una legge di conservazione.
Partendo da due delle equazioni di Maxwell
e dall’identità di analisi vettoriale
si ha
Una legge di conservazione
Definendo densità di energia
Si ha in forma differenziale….
E Vettore di Poynting
Onde elettromagnetiche. Dalle eq. di Maxwell…nel vuoto o in un mezzo uniforme
Nel vuoto
Onde elettromagnetiche.
Il campo e.m. nel formalismo relativistico non è descritto l’insieme di due campi
vettoriali indipendenti in 3D, ma come un tensore doppio antisimmetrico in 4D
Dalle trasformazioni di Lorentz per i 4-vettori si ottengono quelle per i tensori e si
ha che, passando dal sistema O al sistema O’ in moto con velocità Vx lungo x,
Trascurando i termini dal secondo ordine in Vx/c si ha
Se nel sistema O’ c’è solo il campo elettrico E’ mentre B’ = 0, nel sistema O rispetto
al quale O’ si muove con velocità V, si osservano sia un campo elettrico E sia un
campo magnetico B diversi da E’ e B’. Ma la forza sulla carica F=qE+qVB è uguale
a F’=qE’, come previsto dalle trasformazioni galileiane, dal momento che V/c<<1.