UN ESPERIMENTO DI RELATIVITA’
“Rinserratevi con qualche amico nella maggior stanza che sia sotto coverta di
un 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 vadia versando
dell’acqua in un altro vaso di angusta bocca, che sia posto in basso: e stando
ferma la nave, osservate diligentemente come quelli animaletti volanti con
pari velocità vanno verso tutte le parti della stanza; i pesci si vedranno andar
notando indifferentemente per tutti i
versi; le stille cadenti entreranno tutte nel vaso sottoposto; e voi, gettando
all’amico alcuna cosa, non più gagliardamente la dovete gettare verso quella
parte che verso questa, quando le lontananze sieno eguali; e saltando voi,
come si dice, a piè giunti, eguali spazi passerete verso tutte le parti.
Osservate che avrete diligentemente tutte queste cose, benchè niun dubbio ci
sia che mentre il vassello sta fermo non debbano succeder così, fate muover la
nave con quanta si voglia velocità; che (pur che il moto sia 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 stia ferma”
Galileo Galilei, 1632
SITUAZIONE ALLA FINE DEL XIX
SECOLO
Due teorie fisiche accreditate:
Meccanica newtoniana ( comprendente la
relatività galileiana)
Teoria dell’elettromagnetismo di Maxwell
PROBLEMA !
La teoria di Maxwell contiene
una e una sola costante "universale"
c = 300 000 km/s
e prevede che la velocità della luce sia c
cioè una costante
ma per la meccanica classica
una qualunque velocità deve dipendere dal
sistema di riferimento
PROBLEMA!
Se un treno corre sui binari a 200 km/h e un
passeggero cammina nel corridoio nello stesso
verso del treno alla velocità di 4 km/h, la sua
velocità è di 4 km/h rispetto al treno , ma di 204
km/h rispetto al terreno.
Per la meccanica classica
se un treno corre sui binari a 200 km/s e un
passeggero accende una torcia dirigendo il fascio
luminoso nello stesso verso del treno
la velocità della luce emessa è di 300 000 km/s
rispetto al treno
ma di 300 200 km/s rispetto al terreno.
ALTRO PROBLEMA !
Nella teoria di Maxwell
rispetto a quale sistema di riferimento la
velocità della luce è c?
Per Maxwell era il sistema di riferimento dell’etere.
Ma così l’etere sarebbe stato un sistema di
riferimento privilegiato
in contraddizione con Galileo .
E ALLORA?
a)
Se la velocità della luce non era una costante
universale , ma dipendeva dal sistema di
riferimento (Galileo):
le equazioni di Maxwell si potevano ritenere
valide, ma solo nel riferimento privilegiato
dell’etere e quindi non del tutto corrette
la meccanica newtoniana era corretta
E ALLORA?
Se la velocità della luce era veramente una
costante universale e non dipendeva dal sistema
di riferimento:
la teoria di Maxwell sarebbe stata convalidata
la meccanica newtoniana andava messa in
discussione
QUASI TUTTI I FISICI PROPENDEVANO PER LA
PRIMA IPOTESI
“Non dobbiamo stupirci se tutti, o quasi tutti, i
fisici del secolo scorso videro nella meccanica
classica la
base sicura e definitiva di tutta la fisica, e anzi,
addirittura, di tutte le scienze naturali, e se
insistettero
instancabilmente nel tentativo di basare sulla
meccanica
anche la teoria elettromagnetica di Maxwell, che si
stava
lentamente affermando.”
COME RISOLVERE IL PROBLEMA ?
TRE POSSIBILI
SOLUZIONI
COME RISOLVERE IL PROBLEMA ?
Soluzione 1
Continuare a ritenere valida la relatività
galileiana e la meccanica newtoniana
e
ammettere che le equazioni di Maxwell sono valide
solo
in un sistema privilegiato
nel quale la velocità della luce è sempre c anche se
la sorgente è in moto
SOLUZIONE DI COMPROMESSO!
EVIDENZE CONTRARIE ALLA SOLUZIONE 1
Per Galileo nessun esperimento di meccanica può
evidenziare lo stato di moto di un sistema
inerziale rispetto ad un altro.
Ma se le equazioni di Maxwell sono vere solo nel
sistema privilegiato dell’etere
dovrebbe essere possibile evidenziare il moto
di un sistema con esperimenti di ottica
perché la luce si muove a velocità c solo nel sistema
dell’etere.
EVIDENZE CONTRARIE ALLA STRADA 1
Il fisico americano Michelson ebbe la seguente idea:
La Terra si muove nell’etere .
Se l'etere è a riposo rispetto al sistema delle stelle fisse, la Terra dovrebbe
risentire il "vento" causato dal suo movimento attraverso l'etere.
Un raggio di luce emesso nella direzione del moto della Terra dovrebbe avere
velocità minore , perché va “contro vento”, rispetto ad un raggio emesso in
direzione perpendicolare al moto della Terra .
Perciò Michelson , con l’aiuto di Morley, tra il 1887 e il 1904 esegui più volte un
famoso esperimento
Esso consisteva nel
misurare la velocità di due raggi di luce emessi in due direzioni tra loro
perpendicolari.
CI SI ASPETTAVA CHE I RAGGI DI LUCE AVESSERO VELOCITÀ DIVERSE.
I RISULTATI FURONO NEGATIVI!!
L’esperimento di Michelson-Morley è famoso perché fallì!
SCHEMA DELL’APPARATO
DELL’ESPERIMENTO
CONSEGUENZE DEL FALLIMENTO
DELL’ESPERIMENTO DI MICHELSON-MORLEY
In un sistema di riferimento solidale con la Terra la
velocità della luce è indipendente dalla direzione .
Non è possibile evidenziare il moto della Terra
attraverso l’etere :
l’etere esiste???
COSA DISSERO GLI SCIENZIATI E I FILOSOFI
DELL’EPOCA?
Sostenitori della
meccanica classica
a) L’esperimento è
fallito perché
l’apparecchiatura non
era adeguata.
b) L’esperimento è
fallito perché la Terra
trascina con sé
dell’etere
Dubbiosi
a) Poincare
b) Mach
c) Fitzgerald
COME RISOLVERE IL PROBLEMA ?
Soluzione 2
continuare a ritenere valida la relatività galileiana
e la meccanica newtoniana
e
modificare le equazioni di Maxwell
in modo da renderle compatibili con la relatività
galileiana.
Così la velocità della luce dipenderebbe dalla velocità della
sorgente, ma potrebbe essere considerata costante rispetto
alla sorgente.
EVIDENZE CONTRARIE ALLA SOLUZIONE 2
ESPERIMENTO DI DESITTER SULLE STELLE
DOPPIE
Cosa sono le stelle doppie ?
Una stella doppia è una sistema composto tra due
stelle che orbitano attorno ad un baricentro comune.
Se una delle due stelle ha una massa superiore
all'altra ,il baricentro può essere così spostato verso di
essa da ridurre il sistema ad una stella ferma attorno
alla quale ne orbita un'altra.
EVIDENZE CONTRARIE ALLA SOLUZIONE 2
Grafico della quantità di luce ricevuta da una stella
doppia in funzione del tempo
EVIDENZE CONTRARIE ALLA SOLUZIONE 2
Il grafico ottenuto osservando le stelle doppie
conferma l’indipendenza della velocità della luce
dal moto della sorgente.
Sia che le stelle siano in avvicinamento , sia che
siano in allontanamento la quantità di luce
ricevuta è la stessa.
Se invece la velocità della luce dipendesse dal moto
della sorgente la luce che proviene dalla stella
che si avvicina viaggerebbe verso di noi con
velocità v+c e noi riceveremmo più luce rispetto a
quando la stella si sta allontanando (c-v)
COME RISOLVERE IL PROBLEMA ?
Soluzione 3
accettare le equazioni di Maxwell
e modificare la relatività galileiana e la meccanica
newtoniana
per soddisfare
c = cost
per tutti i sistemi in moto relativo rettilineo e
uniforme.
E’
la soluzione corretta!
