Elementi fondamentali del
passaggio ‘800/’900
in Fisica
I CAPISALDI della MECCANICA CLASSICA
Galileo(1564-1642)-Newton (1642-1727)
‘Le affezioni’ (aspetti
misurabili di un fenomeno)
‘Le sensate esperienze’
(semplificazioni della realtà
per vagliare una ipotesi)
‘Le matematiche
dimostrazioni’ (le leggi
matematiche che descrivono
la realtà)
Questi tre elementi costituiscono
il metodo scientifico
GLI SVILUPPI:
il meccanicismo come “ideologia della scienza”
• Il metodo scientifico si afferma in un campo particolare:
lo studio del moto.
• Il metodo scientifico nel ‘700 tenderà poi ad invadere tutti
i campi di studio del reale, in particolare:
fenomeni elettrici (forza di Coulomb)
fenomeni termici (teoria cinetica dei gas)
Limiti:
Riduzionismo:
Dal semplice si vuole spiegare il complesso. Il tutto viene
pensato come la somma delle parti
Determinismo:
Il mondo è ridotto ad una immensa macchina governata da
leggi ed equazioni che hanno una sola soluzione.
LA FISICA dell’800:
Concezione deterministica della realtà
Pier Simon de Laplace (1729-1827)
“Lo stato attuale del sistema della natura
consegue evidentemente da quello che era
all’istante precedente e se noi immaginassimo
una intelligenza che ad un istante dato
comprendesse tutte le relazioni tra le entità di
questo universo, essa potrebbe conoscere le
rispettive posizioni, i moti e le disposizioni
generali di tutte quelle entità di qualunque
istante del passato o del futuro”.
I SUCCESSI della FISICA dell’800:
primi elementi di crisi della visione meccanicistica
1810-1820: la luce descritta quantitativamente come fenomeno ondulatorio (Young e
Fresnel)
1820-1830: viene fondato l’elettromagnetismo (esperimento di Oersted, ricerche di
Ampere e di Faraday.
Anni Venti: nasce la scienza dei rapporti fra calore e produzione di lavoro, la
termodinamica (Carnot e Klapeyron) le cui leggi sono dedotte dall’osservazione del
funzionamento delle macchine termiche.
Anni Quaranta: viene enunciato il principio di conservazione dell’energia (Mayer,
Joule, Helmotz); valido per qualunque sistema fisico isolato.
1850-1870: il concetto di calore trova sua interpretazione definitiva nell’ambito di una
descrizione corpuscolare e statistica (Clausius, Maxwell e Boltzmann).
Anni settanta: fenomeni elettrici e magnetici vengono inquadrati nelle equazioni di
Maxwell e nel campo; la luce, come radiazione elettromagnetica, inglobata
nell’elettromagnetismo.
Fine degli anni ottanta: Hertz ottiene per la prima volta onde elettromagnetiche da un
circuito oscillante.
1895: Scoperta dei raggi catodici (Crookes, Perrin)
1895: Thomson e Millikan confermano sperimentalmente la natura corpuscolare
dell’elettrone
1896: vengono scoperti i raggi X (Roetgen) e le emissioni radioattive (coniugi Curie).
1911: modello nucleare dell’atomo (Rutherford)
LA FISICA E’ FINITA?
Nel 1871, in occasione dell’inaugurazione del Cavendish Laboratory di
Cambridge, J.C.Maxwell affermava:
“E’ opinione che entro pochi anni tutte le
grandi costanti fisiche saranno state valutate
e la sola cosa che resterà da fare agli
scienziati sarà quella di raffinare la loro
misura di un altro decimale.”
LA NATURA della LUCE:
onda o corpuscolo?
Nel XVII due scuole di pensiero predominanti:
Teoria corpuscolare (Newton 1642-1727):
“Possiamo immaginarla[la luce] come una moltitudine di corpuscoli
incredibilmente piccoli e veloci, di diverse dimensioni che si
sprigionano dai corpi luminosi a grande distanza l’uno dall’altro, ma
tuttavia senza un sensibile intervallo di tempo, e vengono
continuamente proiettati in avanti da un principio di movimento che
all’inizio li accelera”. (reazione di Newton alla Royal Society, 1675)
Teoria ondulatoria (Huygens 1596-1648):
“..se oltre ciò, il passaggio della luce richiede tempo, il che non
tarderemo a vedere, ne conseguirà che questo movimento
impresso alla materia interposta sarà progressivo e pertanto si
propagherà come fa il suono per superfici sferiche e per onde; le
chiamo onde per la loro somiglianza con quelle che vediamo
formarsi nell’acqua allorchè vi si getta un sasso[..]”.(C.Huygens,
“trattato sulla luce”,1690)
LUCE e ETERE:
quale modello per la luce?
1801: Thomas Young, realizza un
esperimento che gli consente di
osservare un fenomeno di
interferenza con la luce
(tipicamente ondulatorio)
Nuove domande irrisolte:
Se la luce ha una natura
ondulatoria, che tipo di onda è?
Poiché la luce si propaga nello
spazio cosmico, vuoto di
materia, qual è il mezzo di
propagazione?
LA GRANDE SINTESI MAXWELLIANA
nascita dell’elettromagnetismo
I fenomeni elettrici e quelli magnetici non sono che due aspetti di uno
stesso ente fisico: IL CAMPO ELETTROMAGNETICO
LA LUCE E’ UN’ONDA ELETTROMAGNETICA
Velocità della luce nel vuoto c=3•108 m/s =300.000 km/sec
TRIONFI dalle FONDAMENTA
MALSICURE
L’ottimismo di fine ‘800 porta con sé sottili
contraddizioni fra previsioni teoriche e dati
sperimentali, che i concetti della fisica
classica non riescono ad eliminare.
UN OGGETTO MISTERIOSO: l’ETERE
Era stato denominato etere
un ipotetico mezzo
attraverso il quale si
propagano le onde
elettromagnetiche (e
quindi la luce)
I fisici dell’800 cercano di
attribuirgli proprietà
meccaniche
Nel 1887 Michelson e
Morley realizzano un
esperimento cruciale che
sancisce l’abbandono della
teoria dell’etere.
LA CRISI di FINE OTTOCENTO
•
Problemi insoluti nell’ambito delle teorie classiche
innescano una profonda revisione dei concetti fisici.
Nascono nuove domande:
Domande sull’etere → definizione della natura dello spazio
e del tempo
Domande sull’interazione tra radiazione e materia→ teoria
dei quanti
•
nuove teorizzazioni:
La relatività di Einstein
La meccanica quantistica
La teoria della relatività ristretta
(1905)
Revisione dei concetti di spazio e
tempo della meccanica Newtoniana
Ipotesi:
Il principio di relatività galileiano
vale per tutti i fenomeni fisici
La velocità della luce nel vuoto è la
stessa in tutti i sistemi di
riferimento
Dalle trasformazioni di Galileo a
quelle di Lorentz
CONSEGUENZE:
nuova definizione dello spazio e del tempo
Trasformazioni di Lorentz invece di quelle di
Galileo
Le misure dei tempi e delle lunghezze
dipendono dal sistema di riferimento
La velocità della luce è una velocità limite
nell’universo
La massa inerziale non è costante ma dipende
dalla velocità
La massa e l’energia di un corpo sono legate
dalla legge E=mc2
Il PARADOSSO dei GEMELLI
LA MECCANICA QUANTISTICA
le contraddizioni della fisica dell’800
Nasce come affronto problematico
dell’interazione radiazione-materia
Richiede la definizione di un quadro teorico
diverso da quello classico per lo studio della
materia a livello atomico e subatomico
Viene messo in crisi il determinismo delle leggi
fisiche soprattutto nello studio del
comportamento di una singola particella
NUOVI PROBLEMI
Discontinuità degli spettri di emissione
La radiazione del corpo nero
Meccanismo di emissione e assorbimento di
energia da parte di corpi solidi
Effetto fotoelettrico: emissione di elettroni da parte
di sostanze solide investite da luce
Il modello dell’atomo : instabilità dell’atomo di
Rutherford
IL QUANTO di AZIONE
Planck(1858-1947)
Problema:
Come spiegare la radiazione del corpo nero: cavità che assorbe completamente qualsiasi radiazione
elettromagnetica ed emette in relazione alla sua temperatura.
Max Plank spiega il fenomeno ipotizzando una trasmissione dell’energia in modo discontinuo; suppose
che gli atomi riscaldati si comportino come tanti oscillatori che irradiano energia non con continuità, ma a
piccoli pacchetti, che lui chiama quanti, e che sono la più piccola quantità di energia che un oscillatore di
data frequenza può scambiare con l’ambiente che lo circonda.
Egli introduce la formula E=hν, dove v è la frequenza dell’oscillatore e h è una costante che prende il
nome di costante di Planck e ha valore 6,626 x 10-34 Js.
Il nuovo modello:
Interpreta l’effetto fotoelettrico
Descrive la struttura dell’atomo
L’EFFETTO FOTOELETTRICO
Lo studio del fenomeno fu affrontato da Einstein nel 1905. Si tratta
dell’emissione di elettroni da parte di una superficie metallica quando questa è
illuminata da una luce con “adeguate caratteristiche”. L’energia
elettromagnetica della luce viene ceduta sotto forma di energia di movimento
agli elettroni che riescono a “fuggire” dal metallo a cui appartengono.
3 caratteristiche:
• Al di sotto di una certa frequenza,
che cambia da metallo a metallo, la
luce non riesce a provocare
l’espulsione degli elettroni neanche
ad altissime intensità;
• L’energia degli elettroni emessi non
dipende dall’intensità della luce ma
dalla frequenza di quest’ultima;
• L’aumento dell’intensità della
radiazione provoca solo un aumento
del flusso dei fotoelettroni.
Questo fatto non si spiega con la
teoria di Maxwell!
UNA SPIEGAZIONE INTUITIVA:
l’energia è quantizzata
L’ipotesi di Einstein (Nobel nel 1921) si fonda sulla convinzione che quando un
raggio luminoso si propaga da una sorgente puntiforme l’energia non si
distribuisce in modo continuo ma per “quanti” (quantità minime ed indivisibili di
energia) direttamente proporzionali alla frequenza della radiazione:
E=h•ν
dove h=6,63•10-34Js
L’effetto fotoelettrico può quindi essere
così interpretato:
Un quanto di luce viene assorbito
dall’elettrone.
Se l’energia assorbita è sufficiente a
vincere l’attrazione elettrostatica che lo
lega al metallo, l’elettrone viene
emesso.
Se aumenta l’intensità della radiazione,
cioè il n° di quanti, aumenta il numero
degli elettroni emesso.
DAL QUANTO di LUCE al FOTONE
Effetto Compton
I quanti di luce sono vere e
proprie particelle capaci di
spostare oggetti come
farebbe una palla da
biliardo.
Questa particella fu
battezzata nel 1926 con il
termine FOTONE dal
chimico-fisico Gilbert Lewis.
STRUTTURA dell’ATOMO
Rutherford (1871-1987)
La struttura dell’atomo consiste di:
Carica centrale positiva NUCLEO (entro una sfera di
raggio 3•10-12cm)
Carica negativa ELETTRONI in movimento attorno al
nucleo di moto circolare (R=10-8cm)
INSTABILITA’ dell’ATOMO
L’elettrone ruotando con
frequenza elevata
dovrebbe perdere
costantemente energia
cadendo sul nucleo in una
frazione di secondo.
Conseguenza:
LA MATERIA COLLASSA!
L’ ATOMO di BOHR
Ipotesi di Bohr (1885-1962, Nobel nel 1922)
Nel 1913 Bohr propone il primo modello quantistico dell'atomo di
idrogeno. Il modello prevede che gli elettroni siano disposti intorno
al nucleo su orbite stabili, corrispondenti a livelli energetici ben
definiti, e che l'emissione o l'assorbimento di radiazione
elettromagnetica si verifichi a seguito di transizioni elettroniche tra
livelli quantici diversi.
SVILUPPO della MECCANICA QUANTISTICA
• Le ipotesi ad-hoc dei quanti forniscono:
Descrizione del corpo nero
Interpretazione effetto fotoelettrico
Modello stabile dell’atomo di idrogeno
Introducendo:
• Formalismo della meccanica quantistica, basato sul concetto di
funzione d’onda:
Sparisce il concetto classico di particella (posizioni e velocità definite)
Le leggi che regolano il comportamento delle particelle subatomiche
sono probabilistiche e non deterministiche
Rimane aperto il problema del
Dualismo onda-corpuscolo (anche le particelle possono comportarsi
come onde)
PRINCIPIO di INDETERMINAZIONE
Heisemberg(1901-1976)
• Classicamente posizione e velocità caratterizzano il
movimento di una particella.
• Secondo Heisenberg ad un certo livello queste quantità
sarebbero dovute rimanere sempre indefinite.
• Tale limitazione prende il nome di principio di
indeterminazione:
Maggiore è l'accuratezza nel determinare la posizione
di una particella, maggiore è l'indeterminazione sulla
sua velocità. Egli considera che per misurare una
particella bisogna perturbare il suo stato.
L'incertezza nella misurazione non deriva
dall'accuratezza nell'uso degli strumenti di misurazione,
ma è una proprietà ontologica della materia
Congresso Solvay, Bruxelles 1927,
18 partecipanti
DUALISMO ONDA-CORPUSCOLO
De Broglie (Nobel 1929)
• La luce si può pensare composta di particelle,
ma la probabilità che i fotoni si trovino in un
determinato punto ad un determinato istante è
data da una funzione di tipo ondulatorio
(funzione d’onda).
• 1924: ipotesi ondulatoria di Luis De Broglie: le
particelle di materia (elettroni), in determinate
condizioni, manifestano proprietà ondulatorie
LA FISICA all’INIZIO del ‘900:
Sintesi
• La natura si comporta in modo ambiguo: gli
elettroni sono sia particelle che onde, la luce è
fatta di onde che sono anche particelle
• Non possiamo simultaneamente con certezza
misurare posizione e velocità di una particella
• La meccanica quantistica ha carattere
probabilistico e “funziona” per il mondo
subnucleare
Rimane aperto l’interrogativo sulla natura
vera della realtà a livello microscopico
CAOS e COMPLESSITA’
la natura è fatta così!
• Nuovi modelli (previsioni metereologiche, gli ecosistemi,
il funzionamento del cervello).
• Cadono i due cardini su cui era basata fisica
meccanicistica: La predicibilità e la semplificabilità.
• Non si può ricostruire il fenomeno complesso sulla base
delle singole componenti.
La previsione è ancora possibile?
• Si, non più sulla base dei dati iniziali ma attraverso una
continua introduzione di dati.
CONCLUSIONE
•
L’immagine del mondo fisico che abbiamo oggi è molto più vasta di quella di due
secoli fa.
• Domande fondamentali:
il puzzle che andiamo a comporre per costruire il quadro della realtà diventerà un
giorno completo?
Il tutto è più della somma delle parti o no?
• “Ma per quanto importanti siano i risultati ottenuti e per
quanto vicina sia la meta sospirata, rimane sempre un
abisso, incolmabile dal punto di vista della scienza esatta,
tra il mondo reale della fenomenologia e il mondo reale
della metafisica.
E colui al quale la buona fortuna ha permesso di cooperare
all’erezione dell’edificio della scienza esatta, troverà la sua
soddisfazione e intima felicità, con il nostro grande poeta
Goethe, nella coscienza di aver esplorato l’esplorabile e di
aver venerato silenziosamente l’inesplorabile” (Max
Planck)
