Name Event Date Name Event Date 1 CERN F. Ruggiero à La Relatività di Einstein1 La Relatività di Einstein Passeggiata nel mondo dei fisici Che cos’ è la

Name Event DateName Event Date11

F. Ruggiero La Relativitàà di Einstein 1CERN

La RelativitLa Relativitàà di Einstein di Einstein

Passeggiata nel mondo dei Passeggiata nel mondo dei fisicifisici

Che cos’ Che cos’ èè la Relativit la Relativitàà??

Spazio, Tempo, Piramidi e Spazio, Tempo, Piramidi e Igloo…Igloo…

Vedi anche Biografie, eventi, curiositàà



La pensate come La pensate come Aristotele?Aristotele?• I corpi sub-lunari, terra fuoco aria e I corpi sub-lunari, terra fuoco aria e

acqua, sono imperfetti e corruttibili. I acqua, sono imperfetti e corruttibili. I corpi celesti sono perfetti ed eterni corpi celesti sono perfetti ed eterni (quintessenza)(quintessenza)

• I corpi sub-lunari tendono a I corpi sub-lunari tendono a rimanere fermi, salvo se una forza non li metta salvo se una forza non li metta in “moto violento”. I corpi celesti in “moto violento”. I corpi celesti hanno un eterno moto perfettamente moto perfettamente circolarecircolare

• I corpi pesanti tendono a tornare al I corpi pesanti tendono a tornare al loro luogo di origine cioloro luogo di origine cioè al centro al centro della Terra. della Terra.

• Una pietra cade Una pietra cade piùpiù in fretta di una in fretta di una piuma e, se mi cade mentre cammino, piuma e, se mi cade mentre cammino, arriva sulla verticale del punto in cui arriva sulla verticale del punto in cui l’avevo lasciatal’avevo lasciata

• La Natura ha “orrore del vuoto”La Natura ha “orrore del vuoto”



• In realtIn realtà oggi sappiamo che tutte oggi sappiamo che tutte queste affermazioni non sono vere, queste affermazioni non sono vere, ma spesso continuiamo a ragionare ma spesso continuiamo a ragionare come Aristotele...come Aristotele...

• Una valigia vi cade mentre correte: Una valigia vi cade mentre correte: arriva ai vostri piedi, oppure in avanti arriva ai vostri piedi, oppure in avanti o indietro?o indietro?

• Una pietra e una piuma, lasciate Una pietra e una piuma, lasciate cadere cadere nel vuoto,nel vuoto, toccano terra toccano terra insieme?insieme?

• In assenza di attrito,In assenza di attrito, un pattinatore un pattinatore continua a muoversi con la stessa continua a muoversi con la stessa velocitvelocità senza alcuna forza che lo senza alcuna forza che lo spinga?spinga?

• Galileo Galilei ha rivoluzionato la Galileo Galilei ha rivoluzionato la fisica quando ha intuito il fisica quando ha intuito il principio principio d’inerzia,d’inerzia, l’importanza dell’attrito e l’importanza dell’attrito e dell’dell’ariaaria



Apollo 15: Apollo 15: l’esperimento di Galileo l’esperimento di Galileo

ripetuto sulla Lunaripetuto sulla LunaIl 30 Luglio 1971, David Scott ripete Il 30 Luglio 1971, David Scott ripete sulla sulla

Luna l’esperimento di Galileo sulla Luna l’esperimento di Galileo sulla caduta caduta

dei gravi. Un martello e una piuma dei gravi. Un martello e una piuma

(di falcone) arrivano insieme al (di falcone) arrivano insieme al suolo:suolo:

““Galileo was correct in his findings”!Galileo was correct in his findings”!



La rivoluzione GalileianaLa rivoluzione Galileiana• Galileo ha usato il suo telescopio per Galileo ha usato il suo telescopio per

guardare la Luna e i pianeti e si guardare la Luna e i pianeti e si è accorto che accorto che i corpi celesti sono i corpi celesti sono imperfetti:imperfetti: la Luna ha i crateri e Giove la Luna ha i crateri e Giove ha una grande macchiaha una grande macchia

• Quindi i corpi celesti sono fatti della Quindi i corpi celesti sono fatti della stessa materia dei corpi terrestri!stessa materia dei corpi terrestri!

• Venere ha le fasi come la Luna e Venere ha le fasi come la Luna e Giove ha i satelliti, come un piccolo Giove ha i satelliti, come un piccolo sistema solaresistema solare

• I satelliti girano intorno a Giove, I satelliti girano intorno a Giove, quindi perchquindi perché i pianeti e la Terra non i pianeti e la Terra non possono girare intorno al Sole? possono girare intorno al Sole?

• Ma allora perchMa allora perché non ce ne non ce ne accorgiamo?accorgiamo?



• La risposta di Galileo La risposta di Galileo è che se la che se la Terra si muove con velocitTerra si muove con velocità costante costante in linea retta nello spazio non esiste in linea retta nello spazio non esiste alcun modo per accorgersene alcun modo per accorgersene Principio di RelativitPrincipio di Relatività

• L’orbita che la Terra percorre intorno L’orbita che la Terra percorre intorno al Sole, a una velocita di circa 30 al Sole, a una velocita di circa 30 km/sec, km/sec, ha un raggio di circa 150 un raggio di circa 150 milioni di km: il risultato e’ milioni di km: il risultato e’ praticamente lo stessopraticamente lo stesso

• Galileo Galileo è stato costretto ad stato costretto ad abbandonare la fisica di Aristotele abbandonare la fisica di Aristotele per spiegare le sue osservazioni col per spiegare le sue osservazioni col telescopio e i suoi esperimenti telescopio e i suoi esperimenti guai con la Chiesaguai con la Chiesa

• Il suo allievo Torricelli ha studiato gli Il suo allievo Torricelli ha studiato gli effetti dell’aria (pressione effetti dell’aria (pressione atmosferica) che sono all’origine dei atmosferica) che sono all’origine dei motori termicimotori termici



Newton: tempo Newton: tempo assolutoassoluto

1.1. In assenza di forze esterne, un In assenza di forze esterne, un corpo rimane nel suo stato di quiete corpo rimane nel suo stato di quiete o di moto uniforme: legge di inerzia o di moto uniforme: legge di inerzia (pigrizia)(pigrizia)

2.2. Una forza Una forza FF applicata a un corpo di applicata a un corpo di massa massa mm ne provoca ne provoca un’accelerazione un’accelerazione aa tale che tale che F = m aF = m a (causa-effetto)(causa-effetto)

3.3. A ogni azione corrisponde una A ogni azione corrisponde una reazione reazione istantaneaistantanea uguale e uguale e contraria contraria (vendetta)(vendetta)

In un sistema isolato la somma degli In un sistema isolato la somma degli impulsi impulsi p=m vp=m v si conserva: si conserva: le masse m le masse m sono costanti, sono costanti, le velocitle velocità vv sono sono relativerelative al sistema inerzialeal sistema inerziale



Giove, Io e la sua Giove, Io e la sua ombraombra

Cassini Imaging Team,, Cassini Project,, NASA

http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap021207.htmlhttp://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap021207.html

Galileo aveva suggerito di usare la rotazione dei satelliti di Giove come un “orologio” molto preciso per calcolare la longitudine delle navi. Il periodo del satellite Io è di circa 42 h. Estrapolando di sei mesi la previsione delle sue eclissi, quando la Terra si trova prima vicino e poi lontano da Giove, nel 1675 Olaf Römer osserva un ritardo di circa 1000 sec che attribuisce al tempo impiegato dalla luce per percorrere il diametro dell’orbita terrestre: prima misura della velocità della luce

c~300 milioni km/1000 sec



Gli ingredienti della Gli ingredienti della luceluce• Una particella carica crea un campo Una particella carica crea un campo

elettrico nello spazio circostanteelettrico nello spazio circostante• Una calamita o un anello percorso Una calamita o un anello percorso

da corrente creano un campo da corrente creano un campo magneticomagnetico



Maxwell, la Luce e l'EtereMaxwell, la Luce e l'Etere• Secondo le equazioni di Maxwell una carica Secondo le equazioni di Maxwell una carica

elettrica elettrica accelerataaccelerata o un’antenna creano una o un’antenna creano una perturbazione che si propaga nello spazio con la perturbazione che si propaga nello spazio con la velocitvelocità della luce della luce

• La luce La luce è un’onda un’onda che deve muoversi: un campo che deve muoversi: un campo elettrico variabile genera un campo magnetico elettrico variabile genera un campo magnetico e un campo magnetico variabile genera un e un campo magnetico variabile genera un campo elettricocampo elettrico

• Le onde luminose hanno bisogno di un mezzo Le onde luminose hanno bisogno di un mezzo elastico per propagarsi: dunque l’elastico per propagarsi: dunque l’EtereEtere riempie riempie tutto lo spazio!tutto lo spazio!



L’aberrazione della luceL’aberrazione della luce

• Come la pioggia, che cade Come la pioggia, che cade obliquamente vista da un treno in obliquamente vista da un treno in corsa, l’aberrazione della luce stellare corsa, l’aberrazione della luce stellare dipende dalla velocitdipende dalla velocità orbitale della orbitale della Terra. La deviazione angolare della Terra. La deviazione angolare della luce vale circa v/c ~ 30/300000luce vale circa v/c ~ 30/300000

• Se esiste un EtereSe esiste un Etere in cui la luce si in cui la luce si propaga, propaga, la Terra non lo trascina con la Terra non lo trascina con ssé nel suo moto intorno al Sole. nel suo moto intorno al Sole. Dunque si deve poter misurare un Dunque si deve poter misurare un “vento d’Etere”“vento d’Etere”

Nel 1725 l’astronomo dilettante James Nel 1725 l’astronomo dilettante James Bradley osserva una deviazione angolare Bradley osserva una deviazione angolare di 20’’ che si inverte ogni sei mesi per di 20’’ che si inverte ogni sei mesi per tutte le stelletutte le stelle



Niente “vento d’Etere”!Niente “vento d’Etere”!• Tutti i tentativi sperimentali per Tutti i tentativi sperimentali per

mettere in evidenza un “vento mettere in evidenza un “vento d’Etere” falliscono. d’Etere” falliscono.

• Fizeau misura un Fizeau misura un rallentamento della rallentamento della luce in un fluido v=c/nluce in un fluido v=c/n, dove , dove nn è l’indice di rifrazione, e un effetto di l’indice di rifrazione, e un effetto di trascinamentotrascinamento della luce in un fluido della luce in un fluido in movimento. Ma l’effetto si annulla in movimento. Ma l’effetto si annulla quando la velocitquando la velocità della luce nel della luce nel fluido si avvicina a fluido si avvicina a cc

• Michelson e Moreley misurano la Michelson e Moreley misurano la differenza dei tempi necessari alla differenza dei tempi necessari alla luce per percorrere la stessa distanza luce per percorrere la stessa distanza in direzione parallela e in direzione parallela e perpendicolare al moto orbitale della perpendicolare al moto orbitale della Terra: Terra: il risultato il risultato è nullo! nullo!



L’esperimento di L’esperimento di Michelson e Moreley Michelson e Moreley

(1887)(1887)• Per misurare la velocitPer misurare la velocità di un fiume, due di un fiume, due barche partono da B e percorrono la stessa barche partono da B e percorrono la stessa distanza verso A e verso C. Quale barca distanza verso A e verso C. Quale barca torna per prima a B?torna per prima a B?

• Per misurare la velocitPer misurare la velocità del “vento d’Etere” del “vento d’Etere” Michelson e Moreley usarono un Michelson e Moreley usarono un interferometrointerferometro



La contrazione di La contrazione di LorentzLorentz• Vista l’impossibilitVista l’impossibilità di rivelare il di rivelare il

“vento d’Etere”, FitzGerald e poi “vento d’Etere”, FitzGerald e poi Lorentz suggeriscono che la Lorentz suggeriscono che la lunghezza di un corpo in moto si lunghezza di un corpo in moto si riduca in modo da annullare la riduca in modo da annullare la differenza dei tempi differenza dei tempi nell’esperimento di Michelson e nell’esperimento di Michelson e Morely Morely

• Le dimensioni del corpo Le dimensioni del corpo perpendicolariperpendicolari alla direzione del alla direzione del moto restano le stessemoto restano le stesse



La rivoluzione La rivoluzione EinsteinianaEinsteiniana

e il e il Principio di RelativitPrincipio di Relatività à • Tutti i fenomeni fisici sono Tutti i fenomeni fisici sono

descritti dalle stesse leggi descritti dalle stesse leggi per qualunque osservatore in per qualunque osservatore in moto rettilineo uniformemoto rettilineo uniforme

• In particolare, la velocitIn particolare, la velocità della luce nel vuoto della luce nel vuoto è la la stessa per qualunque stessa per qualunque osservatore in moto rettilineo osservatore in moto rettilineo uniformeuniforme



Strane conseguenze…Strane conseguenze…• La velocitLa velocità della luce proiettata della luce proiettata

dai fari di una macchina dai fari di una macchina è c,c, anche per un conducente che anche per un conducente che guidi in senso oppostoguidi in senso opposto

• Il Il tempo rallentatempo rallenta se si viaggia se si viaggia molto velocemente e si “congela” molto velocemente e si “congela” per velocitper velocità prossime a quella prossime a quella della lucedella luce

• Le Le lunghezze si contraggonolunghezze si contraggono come suggerito da Lorentz-come suggerito da Lorentz-FitzGeraldFitzGerald

• La La massa aumentamassa aumenta ed ed è proporzionale all’energia di un proporzionale all’energia di un corpo in movimentocorpo in movimento



Albert EinsteinAlbert EinsteinBreve clip di Einstein che parla Breve clip di Einstein che parla

dell’Universitdell’Università di Gerusalemme di GerusalemmeAlbert Einstein Archives Albert Einstein Archives

http://jnul.huji.ac.il/einstein/http://jnul.huji.ac.il/einstein/



Flotta di astronaviFlotta di astronavi

Quando la flotta Quando la flotta è ferma, ferma,

il segnale radio arriva il segnale radio arriva

simultaneamentesimultaneamente a B e C a B e C

Una flotta di 3 astronavi manovra: Una flotta di 3 astronavi manovra: l’ammiraglia A l’ammiraglia A

ordina via radio alle altre due astronavi di ordina via radio alle altre due astronavi di

accendere i motori e resta al centro del accendere i motori e resta al centro del convoglioconvoglio

Quando la flotta Quando la flotta è in in moto, moto,

B riceve il segnale prima B riceve il segnale prima di C di C

e e “accorcia le distanze”“accorcia le distanze”



Orologi a luce Orologi a luce le animazioni richiedono le animazioni richiedono QuickTimeQuickTime

• Possiamo misurare il tempo Possiamo misurare il tempo con orologi a cucù, al quarzo, con orologi a cucù, al quarzo, oppure … a luceoppure … a luce (http://www.anu.edu.au/Physics/qt/)(http://www.anu.edu.au/Physics/qt/)

• Un raggio di luce rimbalza fra Un raggio di luce rimbalza fra due specchi e il numero dei due specchi e il numero dei “tic” misura il tempo che “tic” misura il tempo che passapassa

• Ma che succede al nostro Ma che succede al nostro orologio a luce quando orologio a luce quando viaggiamo?viaggiamo?

• E se lo confrontiamo con E se lo confrontiamo con l’orologio a luce di un nostro l’orologio a luce di un nostro amico rimasto a casa?amico rimasto a casa?



La dilatazione dei La dilatazione dei tempitempi• La velocitLa velocità della luce della luce cc è la stessa la stessa

in tutti gli orologi a lucein tutti gli orologi a luce• Quindi un orologio in moto Quindi un orologio in moto

rallentarallenta• Ma di quanto? Ma di quanto? teorema di teorema di

PitagoraPitagora

cTcToo = L = L

cc22TT22 = v = v22TT22 + L + L22

cTcT LL

vTvT

T = TT = Too//√ (1-v√ (1-v22/c/c22))



Stiamo tutti viaggiando Stiamo tutti viaggiando alla velocitalla velocità della luce! della luce!

spazio

tem

po

pro

pri

o (

età

)

Relativity VisualizedLewis Carroll Epstein

Contrazione

di Lorentz



Il paradosso dei gemelliIl paradosso dei gemelli

spazio

tem

po

pro

pri

o (

età

)

20

40

60

80

Victor Hugo

Victor Hugoinvecchiato

gemello

gemello ancoragiovane (-20 anni)

viaggia per 20 anni

ritorna dopo altri 20 anni



Vita media dei muoni: dilatazione Vita media dei muoni: dilatazione relativisticarelativistica• Muoni veloci prodotti in

alta atmosfera dai raggi cosmici

• A riposo la metà dei muoni “muore” dopo 1.56 s

• Alla velocità della luce potrebbero percorrere al massimo ~ 650 m

• Eppure percorrono ~ 10 km e arrivano al suolo. Perché?1.1. La dilatazione La dilatazione relativistica dei tempi li relativistica dei tempi li fa vivere di pifa vivere di più

2.2. Nel loro sistema di Nel loro sistema di riposo, l’atmosfera riposo, l’atmosfera è contratta dello stesso contratta dello stesso fattore di Lorentzfattore di Lorentz



Visualizzare la RelativitVisualizzare la Relatività • A sinistra vediamo un A sinistra vediamo un

tram da fermotram da fermo• Se lo stesso tram ci Se lo stesso tram ci

passa davanti quasi passa davanti quasi alla velocitalla velocità della luce della luce ci appare … ci appare … ruotato!ruotato! (Terrel, 1959)(Terrel, 1959)http://www.anu.edu.au/Physics/http://www.anu.edu.au/Physics/

Searle/Searle/



• Ora proviamo a passare Ora proviamo a passare attraversoattraverso il tram con una il tram con una velocitvelocità vicina a quella della vicina a quella della luce…luce…

• E come vedremo E come vedremo SaturnoSaturno sfrecciando con una astronave sfrecciando con una astronave relativistica? relativistica?

http://www.tat.physik.uni-tuebingen.de/~weiskopf/gallery



Luce CherenkovLuce CherenkovNel 1934, Pavel Cherenkov si accorse di Nel 1934, Pavel Cherenkov si accorse di

una debole luce azzurrina provocata dalla una debole luce azzurrina provocata dalla

radioattività nei liquidi: si trattava delle radioattività nei liquidi: si trattava delle

prime sorgenti di elettroni relativistici prime sorgenti di elettroni relativistici

disponibili in laboratorio. disponibili in laboratorio.

La luce Cherenkov è usata attualmente in La luce Cherenkov è usata attualmente in

molti rivelatori di particelle elementari, molti rivelatori di particelle elementari,

originate nell'atmosfera dai raggi cosmici originate nell'atmosfera dai raggi cosmici

o in laboratorio negli acceleratori.o in laboratorio negli acceleratori.



Collisioni fra particelleCollisioni fra particelle• Due fasci di particelle elementari vengono

accelerati a velocità prossime a quelle della luce

• Le collisioni frontali (fra nuclei di oro e deuterio nella figura) creano nuove particelle

• Le condizioni di altissima densità di energia sono simili a quelle pochi istanti dopo il big-bang



Magneti criogenici per Magneti criogenici per LHCLHC1200 magneti dipolari guidano i protoni nel tunnel di LHC. Si

tratta di

magneti super-conduttori lunghi 14 m e raffreddati a –270 gradi



IL CERN, un laboratorio IL CERN, un laboratorio mondialemondiale• Fondato a Ginevra nel 1954 per lo Fondato a Ginevra nel 1954 per lo

studio delle studio delle particelle elementari.particelle elementari. Oggi 80 paesi e 6500 scienziati Oggi 80 paesi e 6500 scienziati collaborano al CERNcollaborano al CERN

• 1983:1983: Scoperta delle particelle W e Z Scoperta delle particelle W e Z “luce pesante” (premio Nobel nel “luce pesante” (premio Nobel nel 1984 a Carlo Rubbia e Simon Van 1984 a Carlo Rubbia e Simon Van der Meer)der Meer)

• 1993:1993: invenzione del invenzione del World Wide WebWorld Wide Web (Tim Berners-Lee) per lo scambio di (Tim Berners-Lee) per lo scambio di informazioni scientifiche. Il futuro informazioni scientifiche. Il futuro è GRIDGRID

• 2005:2005: anno mondiale della fisica anno mondiale della fisica (100 anni di Relativit(100 anni di Relatività))

• 2007:2007: il Large Hadron Collider (LHC) il Large Hadron Collider (LHC)

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