Galileo, dialogo dei massimi sistemi Salviati: 1 Aristotelici: esiste la quiete assoluta! Sistemi inerziali: particella libera si muove di moto uniforme Si muovono di moto uniforme l’uno ripetto all’altro senza rotazioni Stesse leggi della fisica in tutti i sistemi inerziali Riferimento: Sistema delle stelle fisse Radiazione di fondo di corpo nero dell’Universo 2 stazione rT = rS − ut rT = posizione rispetto a OT rS = posizione rispetto a OS Per Galileo, t’=t 3 Trasformazione di Galileo: le distanze sono invarianti e t=t’ r ' = r − ut ⇒ r1 '− r2 ' = (r1 − ut ) − (r2 − ut ) = r1 − r2 Forze che dipendono da distanze: invarianti Composizione delle velocita’ r ' = r − ut ⇒ v ' = v − u F = ma invariante Kant:lo spazio e il tempo sono a priori…....... Insomma: sembra un fatto geometrico! ……Pero’....... 4 Elettrodinamica classica Equazioni di Maxwell nel vuoto ∇i E = 4πρ ∇i B = 0 continuita ' senza sorgenti , onde : 1 ∂B ∇∧E= − c ∂t 1 ∂E 4π ∇∧B= + j c ∂t c F = qE + qv ∧ B ∂A E = −∇φ − ∂t B =∇∧ A ∂ρ + div j = 0 ∂t 2 1 ∂2 ∇ − c 2 ∂t 2 E = 0 2 1 ∂2 ∇ − c 2 ∂t 2 B = 0 onde in 1d : d 2 1 ∂2 f ( x , t ) = h( x − ct ) ( dx ) − c 2 ∂t 2 f ( x , t ) = 0 d 2 ∂2 ( ) f ( x , t ) = h "( x − ct ), f ( x , t ) = c 2 h "( x − ct ), OK 2 dx ∂t 1 ∂φ Lorentz gauge : div A + =0 c ∂t onde : 2 1 ∂2 4π ∇ − A = − j 2 2 c ∂t c 2 1 ∂2 ∇ − c 2 ∂t 2 φ = −4πρ 55 Equazione di Poisson ( elettrostatica) : ∇ φ (r ) = −4πρ ( r ) 2 Elettrodinamica classica Equazioni di Maxwell nel vuoto ∇i E = 4πρ ∇i B = 0 continuita ' senza sorgenti , onde : 1 ∂B ∇∧E= − c ∂t 1 ∂E 4π ∇∧B= + j c ∂t c F = qE + qv ∧ B ∂A E = −∇φ − ∂t B =∇∧ A ∂ρ + div j = 0 ∂t 2 1 ∂2 ∇ − c 2 ∂t 2 E = 0 2 1 ∂2 ∇ − c 2 ∂t 2 B = 0 onde in 1d : d 2 1 ∂2 f ( x , t ) = h( x − ct ) ( dx ) − c 2 ∂t 2 f ( x , t ) = 0 d 2 ∂2 ( ) f ( x , t ) = h "( x − ct ), f ( x , t ) = c 2 h "( x − ct ), OK 2 dx ∂t 1 ∂φ Lorentz gauge : div A + =0 c ∂t onde : 2 1 ∂2 4π ∇ − c 2 ∂t 2 A = − c j 2 1 ∂2 ∇ − c 2 ∂t 2 φ = −4πρ Equazione di Poisson ( elettrostatica) : ∇ 2φ (r ) = −4πρ ( r ) 66 c=velocita’ della luce! rispetto a chi? 77 stazione Carattere relativo della simultaneita’ Il macchinista lancia dal punto O un segnale luminoso e misura il tempo che la luce impiega per arrivare agli specchi A e B solidali col treno ed equidistanti da O. x Macchinista: gli specchi riflettono la luce contemporaneamente. Capostazione: Poiche’ lo specchio B si allontana dal punto O da dove e’ partita la luce mentre A va verso O , la luce arriva prima in A. Chi ha ragione? Tutti e due! 8 8 Esperimento pensato sulla Relativita’ dei tempi stazione Quanto ci vuole perche’ la luce arrivi sul pavimento? h h tT = c Macchinista: Capostazione: tS = c 2t S 2 = h 2 + u 2t S 2 2 2 (c − u )tS = h 2 h 2 + u 2t S2 h h 2 + (ut S ) 2 ut S c Tempo proprio: il piu’ corto risolvendo, 2 Per il capostazione h tS = c 1 2 u 1− 2 c > tT capostazione: l’orologio del macchinista va indietro. macchinista : l’orologio del capostazione va indietro. 9 L’esperimento si puo’ fare a ruoli invertiti! Intervallo invariante La distanza fra due punti non si conserva. Pero’, come gia’ osservato, 2 ux 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 rT − c tT = γ ( xS − uts ) − c γ t − = rS − c tS c s 2 = r 2 − c 2t 2 s = intervallo 2 2 2 2 propagazione luce : s = 0 rT = c tT ⇒ rS = c 2tS2 =0 light-like s2=r2-c2t2 >0 space-like (in qualche sistema e’ puramente spaziale) <0 time-like (in qualche sistema puramente temporale) 10 Trasformazione di Lorentz c= costante fondamentale. Quarta dimensione x0 = ct x02S − xS2 = x02T − xT2 Ponendo xS = axT + bx0T x0S = cxT + dx0T (cxT + dx0T )2 − ( axT + bx0T )2 = x02T − xT2 c 2 xT 2 + d 2 x0T 2 + 2cdxT x0T − ( a 2 xT 2 + b 2 x0T 2 +2abxT x0T ) = x02T − xT2 c 2 − a 2 = −1 d 2 − b2 = 1 cd=ab a=Cosh(ψ ) c=Sinh(ψ ) d=Cosh(ψ ' ) b=Sinh(ψ ' ) cd=ab ⇒ Cosh(ψ )Sinh(ψ ' ) = Sinh(ψ )Cosh(ψ ' ) ⇒ ψ ' = ψ . Moto dell'origine OT xT = 0 xS = Sinh[ψ ]x0T x0S = Cosh[ψ ]x0T xS u Tanh[ψ ] = = x0 S c 11 Cosh[ x]2 − 1 Tanh[ x] = Cosh[ x]2 2 Tanh[ x] = u c Cosh[ x] = Cosh[ x] = 1 1 − Tanh[ x]2 1 u 1− c 2 Sinh[ x] = Sinh[ x] = xS = γ ( xT + β x0T ) x0S = γ ( β xT + x0T ) γ = Tanh[ x] 1 − Tanh[ x]2 Tanh[ x] u 1 − ( )2 c 1 u2 1− 2 c L'inversa si ottiene con u → -u xT = γ ( xS − β x0S ) x0T = γ ( β xS − x0S ) . β= u c Contrazione delle lunghezze x1T e x2T siano estremi di una sbarra lunga LT sul treno. per trovare la lunghezza misurata dal capostazione non si puo' usare xS = γ ( xT + β x0T ) x0S = γ ( β xT + x0T ) perche' gli estremi vanno misurati simultaneamente nella stazione. Usiamo xT = γ ( xS − β x0S ) x0T = γ ( β xS − x0S ) ⇒ LT =γ LS . LS = LT u2 1 − 2 contrazione di Lorentz c Composizione relativistica delle velocita’ e velocita’ limite Il gatto del macchinista si mette a correre sul treno. Macchinista: la velocita' del gatto e' W = dxT dtT dxS Per il capostazione, la sua velocita' e' V = dtS xS = γ ( xT + utT ) u tS = γ tT + xT 2 c γ [ dxT + udtT ] dxS ⇒ V= = dtS u γ 2 dxT + dtT c W +u V= uW 1+ 2 c WgT + uTS Puo' aiutare mettere degli indici: VgS = WgT uTS 1+ c2 14 Problema Un razzo R si allontana dalla terra T in linea retta lungo l’asse x nel senso positivo. Un UFO viene avvistato da terra e dal razzo, mentre si muove anch’ esso in linea retta lungo l’asse x. Visto da terra, questo UFO si muove a 0.5c, mentre visto dal razzo si muove a −0.5c. Qual’e`la velocita´di R rispetto a T? 15 Toh, un ufo che va a -0.5 c 0.5 c WuR + uRT = 1 + uRT WuR u VuT Toh, un ufo che va a 0.5 c StazioneTerra Trenorazzo gattoufo WuR + uRT 0.5 = , con WuR = −0.5 1 + WuR u RT uRT = 0.8 16 La sincronizzazione e’ relativa Due orologi fermi in un riferimento possono essere sincronizzati, ma osservatori di altri riferimenti non troveranno che lo sono! Anche la simultaneita’’ e’ relativa. Ecco un esempio. Il pilota di una astronave che viaggia a 0.6c passa vicino alla Terra e regola il proprio orologio con quello terrestre, diciamo alle ore 0,00 antimeridiane. Il pilota nota che alle ore 0,30' del suo orologio l'astronave oltrepassa una stazione spaziale ferma rispetto a Terra e sincronizzata col tempo terrestre. a) Che ora e alla stazione nel momento in cui passa l'astronave? b) Il pilota vede che gli orologi a terra vanno indietro e NON concorda sul fatto che gli orologi della Terra e della stazione spaziale sono sincronizzati. Di quanto non lo sono? 17 Siamo sincronizzati alle 0,00 0.6 c 405 milioni di Km Base Terra 18 Toh! L’orologio della stazione va avanti! Sono le ore 0.30’ 0.6 c Base Terra 19 Che ora e’ alla stazione quando passa l’astronave? a) Il tempo misurato dall’astronauta e`un tempo proprio τ0, mentre quello terrestre e` dilatato a τ = γτ 0 = 30 1 − 0.6 2 = 30 = 37.5 min 0.8 b) Il pilota nota che gli orologi terrestri vanno ad un ritmo ridotto di un fattore 0.8 . Se l’orologio della stazione fosse sincronizzato (dice il pilota) segnerebbe 30 *0.8 = 24 minuti dopo la mezzanotte. Per il Pilota l’orologio della stazione e` stato messo avanti di 13,5 minuti. La sincronizzazione e`relativa al sistema di riferimento. Q u a n to 1800 d is ta 1 2 la base da T? 3 0 0 0 0 0 0 .6 = 4 0 5 0 0 0 0 0 0 1 - 0 .6 1 8 0 0 3 0 0 0 0 0 0 .6 = 3 2 4 0 0 0 0 0 0 km per km A per T 20 Cronotopo di Minkowsky Necessaria descrizione spazio-temporale (4d) x '1 x '0 = γ ( x1 − β x0 ) x ' 2 = x2 x ' 3 = x3 = γ ( x0 − β x1 ) x2+y2+z2- (ct)2 =s2 conservazione dell’intervallo x2+y2+z2+(ict)2 =s2 generalizza Pitagora a 4d ed esprime la conservazione del’intervallo: Basta porre x4=ix0=ict per essere (pseudo) eucliei 21 Trasformazione di Lorentz: lineare, lascia invariato l’intervallo (tensore di rango 0) xµ ' = Λ µν xν significa xµ ' = ∑ Λ µν xν ν γ 0 Λ= 0 −i βγ 0 0 i βγ 1 0 0 ; det(Λ ) = γ 2 − β 2γ 2 = 1. 0 1 0 0 0 γ 22 Analogia formale: spazio 3d Cronotopo 4d rotazioni trasformazioni di Lorentz scalari =invarianti per rotazione scalari =invarianti per Lorentz vettori: vanno per rotazione come punti quadrivettori: vanno per Lorentz { xi } , i = 1, 2,3 xi xi = scalare tensori {x x } ,{x x x } , i j i j k come punti { x } , µ = 1, 2,3, 4 µ xµ xµ = scalare tensori {x x } , {x x } , {x x } , µ ν µ ν µ ρ i = 1, 2,3 , j = 1, 2,3 , k = 1, 2,3 µ = 1, 2,3, 4 ,ν = 1, 2,3, 4 , ρ = 1, 2,3, 4 23 Scalari: grandezze che non cambiano per trasformazioni di Lorentz: lunghezza propria, intervallo fra due eventi, il tempo proprio l’intervallo e’ scalare, cioe’ Lorentz-invariante ∆s 2 = ∆x12 + ∆x2 2 + ∆x32 − ∆x0 2 x0=ct =distanza pseudoeuclidea (positiva, nulla o negativa) ∆s 2 = ∆x 2 + ∆y 2 + ∆z 2 + ∆ (ict ) 2 = ∆x12 + ∆x2 2 + ∆x32 + ∆x4 2 x4=ict Non sono scalari le lunghezze e gli intervalli di tempo Scalari: lunghezza propria, intervallo fra due eventi, il tempo proprio ∆s 2 = ∆x12 + ∆x2 2 + ∆x32 − ∆x0 2 = ∆x12 + ∆x2 2 + ∆x32 − c 2 ∆t 2 tempo proprio : ∆s 2 = −c 2 ∆τ 2 ⇒ dτ = ds c invariante 24 NB dV = dx1dx2 dx3 non e' uno scalare: trasformando lungo x dV → dV γ dx0 =cdt non e' uno scalare: trasformando lungo x dx 0 → γ dx 0 cdVdt = dx0 dx1dx2 dx3 e' uno scalare. NB La carica ρ dV contenuta in dV e' scalare; poiche' dV = dx1dx2 dx3 non e' uno scalare: trasformando lungo x dV → dV γ , ρ deve trasformarsi come dx0 =cdt come la componente 0 di un quadrivettore. corrente: jµ = ρ dxµ dt = ρ 1− β 2 ρ ρ = ( J , i ), j0 = dτ c c dxµ wµ ' = Λ µν wν Quadrivettori: si trasformano come xµ xµ = ( x , x4 = ict ) , Esempi:punto cronotopico: d wµ = xµ dτ u dτ = dt 1 − c d 1 d 1 d wµ = xµ = xµ = x , ic = γ ( u , ic ) 2 2 dτ u dt u dt 1− 1− c c u = trivelocita' w = quadrivelocita' quadrivelocita’: 2 I prodotti scalari fra quadrivettori danno scalari, cioe' invarianti relativistici: wµ wµ = γ 2 (u2 − c 2 ) = −c 2 26 La fase di un'onda elettromagnetica kr-ω t e' scalare (se il campo e' nullo in un punto lo e' per tutti). ω ω kµ = ( k , i ), k0 = c c kµ xµ = kr-ω t kµ = quadrivettore d'onda Elettrodinamica classica ∂A E = −∇φ − B =∇∧ A ∂t e si ottiene : Equazioni di Maxwell nel vuoto: invarianti ∇i E = 4πρ ∇i B = 0 1 ∂B ∇∧E= − c ∂t 1 ∂E 4π ∇∧B= + j c ∂t c onde : 2 1 ∂2 4π ∇ − c 2 ∂t 2 A = − c j 2 1 ∂2 ∇ − c 2 ∂t 2 φ = −4πρ ⇒ 2 1 ∂2 4π ∇ − A = − jµ µ 2 2 c ∂t c φ φ corrente: jµ potenziale : Aµ = ( A , i ), A0 = c c ω ω quadrivettore d'onda : kµ = ( k , i ), k0 = c c e l'invarianza e' manifesta Lorentz : jµ ' = Λ µν jµ Aµ ' = Λ µν Aµ kµ ' = Λ µν kµ 28 I campi elettrico e magnetico non si trasformano come quadrivettori. Tensori a 2 indici: oggetti wµν che si trasformano come xµ xν wµν ' = Λ µρ Λνσ wρσ Campo elettromagnetico: ∂Aν ∂Aµ Fµν = − ∂xµ ∂xν Scalari= tensori a 0 indici, quadrivettori= tensori a 1 indice, e sono usati anche tensori a parecchi indici. Einstein: Le leggi della Fisica sono uguaglianze fra tensori. Relativizzazione delle leggi fisiche= trascrizione in forma tensoriale. 29 Campo elettromagnetico: ∂A1 ∂A2 F12 = − = B3 ∂x2 ∂x1 ∂Aν ∂Aµ Fµν = − ∂xµ ∂xν ∂A1 ∂A3 F31 = − = B2 ∂x3 ∂x1 ad esempio ∂A3 ∂A2 F23 = − = B1 ∂x2 ∂x3 ∂A1 ∂A2 − = B3 ∂x2 ∂x1 ∂ (−iA4 ) 1 ∂A1 ∂ ( A4 ) 1 ∂A1 ∂φ 1 ∂A1 E1 = − − =− − = −i (− + ) = −iF41 ∂x1 c ∂t ∂x1 c ∂ (−ix4 ) ∂x1 c ∂ ( x4 ) −iF41 = E1 e analogamente − iF42 = E2 0 − B3 Fµν = B2 iE1 B3 0 − B2 B1 − B1 iE2 0 iE3 − iF43 = E3 −iE1 −iE2 tensore antisimmetrico di rango 2. −iE3 0 30 Equazioni di Maxwell in forma tensoriale ∂Aν ∂Aµ Fµν = − ∂xµ ∂xν Dal Campo Elettromagnetico: ∂ 2 Aµ ∂ 2 Aν ∂ Fµν = si puo' formare − tensore di rango 3. Altri due si ∂xλ ∂xλ ∂xµ ∂xλ ∂xν ottengono permutando gli indici: Con λ → µ ,µ → ν ,ν → λ , ∂ 2 Aλ ∂ 2 Aν ∂ Fνλ = − , ∂xµ ∂xν ∂xµ ∂xλ ∂xµ Con λ → ν ,µ → λ ,ν → µ , ∂ 2 Aµ ∂ 2 Aλ ∂ Fλµ = − ∂xν ∂xν ∂xλ ∂xν ∂xµ Ma non sono tutti indipendenti: ∂ ∂ ∂ Fµν + Fνλ + Fλµ = ∂xλ ∂xµ ∂xν ∂ 2 Aµ ∂ 2 Aµ ∂ 2 Aν ∂ 2 Aλ ∂ 2 Aν ∂ 2 Aλ − + − + − =0. ∂xλ ∂xµ ∂xλ ∂xν ∂xµ ∂xν ∂xµ ∂xλ ∂xν ∂xλ ∂xν ∂xµ 31 Per capire il significato di 0 − B3 Fµν = B2 iE1 B3 − B2 0 − B1 B1 0 iE2 iE3 ∂ ∂ ∂ Fµν + Fνλ + Fλµ = 0 introduciamo i campi ∂xλ ∂xµ ∂xν Scegliendo λ ,µ ,ν =1,2,3 e cicliche, si ha: −iE1 −iE2 . −iE3 0 ∂ ∂ ∂ F23 + F31 + F12 = ∂x1 ∂x2 ∂x3 ∂ ∂ ∂ B1 + B2 + B3 = ∂x1 ∂x2 ∂x3 divB=0. Scegliendo λ ,µ ,ν =4,1,2 e cicliche, viene: ∂ ∂ ∂ F12 + F24 + F41 = ∂x4 ∂x1 ∂x2 ∂ ∂ ∂ B3 + (-iE 2 ) + (iE1 ) = ∂ict ∂xi ∂x2 ∂ ∂ ∂ B3 + (E 2 ) − (E1 )=0. c∂t ∂xi ∂x2 Insomma, 1 ∂ ∇∧E+ B = 0, divB =0. c ∂t Sono le equazioni di Maxwell omogenee. 32 Equazioni di Maxwell non omogenee: 1 ∂ 4π rotB − E= j , divE=4πρ c ∂t c come si scrivono in forma tensoriale? ∂Aν ∂Aµ ∂ − La divergenza Fµν del tensore campo elettromagnetico Fµν = ∂xν ∂xµ ∂xν e' un quadrivettore. Equazioni di Maxwell inomogenee : ∂ 4π Fµν = Jµ . c ∂xν 33 0 − B3 Fµν = B2 iE1 B3 0 − B2 B1 − B1 iE2 0 iE3 −iE1 −iE2 . −iE3 0 ∂ ∂ ∂ ∂ F12 + F13 = B3 − B2 = (rotB)1 ∂x2 ∂x3 ∂x2 ∂x3 ∂ ∂ ∂ ∂ F21 + F23 = B3 − B1 = (rotB) 2 ∂x1 ∂x3 ∂x1 ∂x3 ∂ ∂ ∂ ∂ F31 + F32 = B2 − B1 = (rotB)3 ∂x1 ∂x3 ∂x1 ∂x2 ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ F41 + F42 + F43 = i ( E1 + E2 + E3 ) = i divE ∂x1 ∂x2 ∂x3 ∂x1 ∂x2 ∂x3 Trasformazione di Lorentz del tensore campo elettromagnetico B3 − B2 −iE1 0 0 i βγ 0 γ 0 − B B − iE 0 1 0 0 1 2 Fµν = 3 F 'µν = Λ µλ Λνσ Fλσ Λ= B2 − B1 0 −iE3 0 0 1 0 iE iE iE 0 − βγ γ i 0 0 2 3 1 1 γ= . 2 v 1 − 2 Siano E , E ⊥ le componenti di E parallele e ortogonali a v: c analogamente definiamo B , B⊥ . Viene che le componenti paralele non cambiamo E' = E , B' = B 1 1 E'⊥ =γ [E ⊥ + (v ∧ B)], B'⊥ =γ [B⊥ − (v ∧ E )] c c 2 2 Risultano invarianti Fµν Fµν = E -B (direttamente), E.B v v 2 E'.B' = E '.B'+γ [E ⊥ + ∧ B⊥ ][E ⊥ + ∧ B⊥ ] = E.B c c usando (A ∧ B)(C ∧ D) = ( AC )( BD) − ( AD)( BC ) Una onda elettromagnetica va in una onda elettromagnetica. 35 Azione del campo elettromagnetico S = ∫ d 4 xL(A µ , ∂ Aµ ∂xν ). Notare che d 4 x e L sono ambedue scalari. Infatti, d 4 x per trasformazioni di Lorentz diventa ∂xi ∂xi 4 det[{ }]d x ', ma { } = Λ e poiche' det(Λ ) = 1, d 4 x = d 4 x '. ∂x ' j ∂x ' j La densita' lagrangiana e' uno scalare e puo' essere presa (Landau-Lifschitz -Teoria del Campo-paragrafo 28) L= i i Fµν Fµν − 2 jµ Aµ . 16π c c 0 − B3 Fµν = B2 iE1 B3 0 − B1 iE2 − B2 B1 0 iE3 jµ Aµ = JA − ρϕ . −iE1 4 2 2 −iE2 ⇒ ∑ Fµν Fµν = B − E −iE3 µ ,ν 0 36 Azione del campo elettromagnetico libero Consideriamo ora il campo senza sorgenti. L= i ∂Aν ∂Aµ ∂Aν ∂Aµ ( − )( − )⇒ 16π c ∂xµ ∂xν ∂xµ ∂xν Equazioni del moto: ∂L ∂ − ( ∂Aµ ∂xν ∂L ∂ ∂L )=− ( )=0 ∂Aµ ∂ A ∂xν ∂( ) ∂( µ ) ∂xν ∂xν 1 ∂B ∂ ∂Aν ∂Aµ ∂ Fµν = 0 ⇔ divB = 0, rotE + Si ottiene ( − )= = 0. c ∂t ∂xν ∂xµ ∂xν ∂xν Le altre due equazioni ∂ 4π Fµν = J µ conseguono da ∂xν c ∂Aν ∂Aµ Fµν = − ∂xµ ∂xν 37 Interazione spin-orbita Un elettrone che si muove nel campo elettrico di un nucleo sente anche un campo magnetico. La teoria quantistica relativistica e’ quella di Dirac, ma il fenomeno si puo’ spiegare semplicemente a livello semiquantitativo. Per un modello alla Bohr l’elettrone cge si muove con velocita’ v vede un campo magnetico v Al primo ordine in viene che le componenti paralele al moto c non cambiano E' = E , B' = B , ma erano nulle; nasce pero' un campo radiale 1 B'⊥ ≈ − (v ∧ E ). c eℏ Lo spin dell'elettrone ha un momento magnetico µ =gµ B S ; µ B = 2mc risulta una interazione gµ B 1 dV H'SO = S .p ∧ E = 2 2 S .L mc m c r dr 1 dV dV r dato che eE=. La teoria di Dirac prevede H'SO = S .L. 2 2 dr r 2m c r dr Onde elettromagnetiche φ quadrivettore potenziale : Aµ = ( A , i ) c ω quadrivettore d'onda : kµ = ( k , i ) c ikµ xµ iΦ x (0) onda e.m. : Aν = Aν Re e = Aν (0) Re e ( λ ) 1 0.5 2 -0.5 -1 4 6 8 10 Φ = k • x − ω t = k µ xµ , ω ω k µ = k0 = , k = k , k 4 = i , c c xµ = ( x0 = ct , x ) = ( x , x4 = ict ) , Dove il campo si annulla, si annulla per tutti gli osservatori: la fase e’ scalare! 39 Effetto Doppler 40 41 Effetto Doppler Capostazione e macchinista osservano un’onda elettromagnetica piana monocromatica Il treno corre con u>0 vettore d’onda della luce stazione u θS Asse x Se l'angolo misurato dal capostazione θS = 0 il treno con u>0 si allontana dalla sorgente 42 Se θS = π il treno si avvicina alla sorgente stazione θS u Asse x vettore d’onda della luce Se θS = π 2 la sorgente e' allo zenit Effetto Doppler Treno che corre lungo l’asse x con velocita´u. una sorgente luminosa monocromatica di pulsazione ωS emette una onda elettromagnetica di vettore d' onda k S . k S fa´un angolo θ S con l'asse x, pulsazione ωS = ck S ω ω ωS kS = cos (θ S ) k S = S sin (θ S ) ( k S )0 = S x y c c c Capostazione: ( ) stazione ( ) u 44 Effetto Doppler Capostazione: una sorgente luminosa monocromatica di pulsazione ωS ferma nella stazione emette una onda elettromagnetica di vettore d' onda kS . ωS = ck S k S fa´un angolo θ S con l'asse x, ωS ωS ω kS = cos (θ S ) kS = sin (θ S ) k S = S x y 0 c c c ( ) ( ) ( ) Il treno corre lungo l’asse x con velocita´u. una sorgente luminosa monocromatica di pulsazione ωT emette una onda elettromagnetica di vettore d' onda k T . ωT = ck T k T fa´un angolo θ T con l'asse x, ωT ωT ω kT = cos (θ T ) kT = sin (θ T ) k T = T x y 0 c c c Macchinista: ( ) ( ) ( ) ω ω quadrivettore d'onda : kµ = ( k , i ) k0 = c c 45 Applichiamo a k la trasformazione di Lorentz: xT = γ ( xS − βctS ) yT = yS x0T = γ [ x0S − β xS ] : (kT )x = γ ( (kS )x − β (kS )0 ) (kT ) y = (kS ) y (kT )0 = γ [ (ks )0 − β (kS )x ]. k ( ) S x = ωS c k ( ) cos (θ S ) S y = ωS c sin (θ S ) k ( ) S 0 = ωS c ⇒ ω ω ω ω ω ( kT )x = γ S cos (θ S ) − β S ( kT ) y = S sin (θ S ) ( kT )0 = γ S − β S cos (θ S ) c c c c c Mettiamoci: k ( ) T x = ωT c cos (θ T ) k ( ) T y = ωT c sin (θ T ) k ( ) T 0 = ωT c ω ω ω ωT ω ω ωT cos (θ T ) = γ S cos (θ S ) − β S sin (θ T ) = S sin (θ S ) = γ S − β S cos (θ S ) c c c c c c c c ωT ωT cos (θ T ) = γωS ( cos (θ S ) − β ) u ωT sin (θ T ) = ωS sin (θ S ) ωT = γωS 1 − cos (θ S ) c 46 ωT cos (θ T ) = γωS ( cos (θ S ) − β ) ωT sin (θ T ) = ωS sin (θ S ) ωT = ωSγ 1 − β cos (θ S ) dalle componenti x,y ωT cos (θT ) = γωS ( cos (θS ) − β ) ωT sin (θT ) = ωS sin (θS ) tan (θT ) = sin (θS ) γ [cos (θS ) − β ] θT ≈ θS + β sin (θS ) per β ≪ 1, aberrazione della luce L’effetto Doppler trasversale (θS = π/ 2 ) avviene ad esempio se il rivelatore ruota intorno alla sorgente. Questo non e`previsto dalla Fisica prerelativistica. Si sono fatte le verifiche sperimentali che hanno confermato la teoria di Einstein. Pulsazione : ωT = γωS 1 − β cos (θ S ) π θs = 2 = γωS = ωS u 1− c 2 47 Effetto doppler longitudinale (θS=θT=0): allontanamento ωT = γωS [1 − β ] = ω S [1 − β ] [1 − β ] 2 = ωS u 1− c u 1+ c Il macchinista vede luce spostata verso il rosso avvicinamento alla sorgente, ωT = ω S v 1+ c v 1− c Il macchinista vede luce spostata verso il blu 48 Meccanica relativistica Consideriamo un punto materiale libero di massa m0; questa e` la massa di riposo, misurata nel sistema in cui il corpo e`in quiete. Procediamo in modo induttivo, cercando una relativizzazione del principio variazionale classico di minima azione δS = 0. Logico aspettarsi S scalare, cosi’ la legge e’ uguale per tutti S = −m0 c 2 ∫ tb ta dτ = − m0 c 2 ∫ 2 v dt 1 − 2 c tb ta C’e’ una lagrangiana, S=∫ tb ta dtL( v), L( v) = − m0 c m0 v 2 v2 2 v << c ⇒ L( v) ≈ −m0 c (1 − 2 ) = −m0 c + 2 2c 2 2 v2 1− 2 c e la costante non conta 4949 2 L( v) = −m0 c 2 v 1− 2 c m0 v ∂L ⇒ p= = ∂v ≡ mv v2 1− 2 c m= m 0 per piccole velocita, ma diverge per v → c; quindi c=velocita' limite, irraggiungibile per i corpi dotati di massa. 2 E = p.v − L = mc 1 per v ≪ c , E ≈ m0 c + m0 v 2 + ..... 2 e non c'e' costante arbitraria, E pµ = m0 wµ = ( p , i ) quadrivettore c ⇒ m0 c 2 energia di riposo 2 c = 3 1010 cm / s ⇒ m0 c 2 = 9 10 20 m0 erg 50 Reazioni chimiche H + H → H 2 + 2.4 eV mp c 2 ≈ 109 eV = 1GeV H2 piu ' leggero di H + H difetto ≈ 10 −9 Reazioni nucleari 6 3 2 1 4 2 Li + H → 2 He + 22.4 MeV 0.3% della massa va in energia 51 An induced nuclear fission event. A neutron is absorbed by the nucleus of a uranium-235 atom, which in turn splits into fast-moving lighter elements (fission products) and free neutrons. Fusione: 52 Equazione d’onda relativistiche Equazione di Klein-Gordon H 2 = p 2 c 2 + m2 c 4 suggerisce l'equazione di Klein-Gordon 2 ∂ [−ℏ 2 c 2∇ 2 + m2 c 4 ]ψ =-ℏ 2 2 ψ ∂t Questa descrive particelle senza spin come i pioni. Equazione di Dirac ∂ A −iℏ t cσ .p ψ A ψ 2 ∂ B = −mc B ∂ ψ ψ −cσ .p iℏ ∂t Questa descrive particelle di spin ½ come gli elettroni; gli spinori hanno 4 componenti.. Ambedue le particelle hanno soluzioni di energia negativa e di energia positiva e vanno interpretate come equazioni di campi particellaantiparticella; ma questo ci porterebbe troppo lontano. Meccanica quantistica relativistica: Spin 0 Spin ½ Spin 1 Spin 3/2 Klein-Gordon Dirac, Weyl per m=0 Proca, Maxwell per m=0 Bargmann-Wigner + hν + hν → e + e − creazione di coppie 54 Relativita’ Generale Principio di relativita’ esteso a sistemi non inerziali +principio di equivalenza Gravita’ , effetto lente, buchi neri, cosmologia ma anche gps. La piu’ bella teoria secondo L Landau