SENSO E PERCORSO DELLA MOSTRA

“I GIOCHI DI EINSTEIN”

Dipartimento di Fisica dell’Università di TrentoMuseo Tridentino di Scienze Naturali

(a cura di Silvia Defrancesco)

PERCHÈ LA MOSTRA

• La mostra è un evento per celebrare il 2005, Anno Internazionale della Fisica.

• Vuole provare a dare risposta alle motivazioni espresse dall’ONU

MOTIVAZIONI ESPRESSE DALL’ONU

• la fisica fornisce una base significativa per lo sviluppo della comprensione della natura;

GLI OGGETTI IN MOSTRA CERCANO DI PRESENTARE LO STRETTO LEGAME FRA FENOMENO NATURALE E TEORIA

•la fisica e le sue applicazioni sono alla base di molti progressi tecnologici;

MOLTE POSTAZIONI SONO CORREDATE DA IMMAGINI E/O OGGETTI CHE METTONO IN RILIEVO LA RICADUTA TECNOLOGICA DELLE SCOPERTE FISICHE

• l’insegnamento della fisica fornisce alle donne e agli uomini gli strumenti per costruire l’infrastruttura scientifica essenziale per lo sviluppo.

SONO STATI STUDIATI DEI PERCORSI DA PROPORRE AD OGNI ORDINE DI SCUOLA

NEL 2005 SI CELEBRANO I 100 ANNI DALLA PUBBLICAZIONE DI

TRE (ma erano 5)ARTICOLI DI EINSTEIN

• MOTO BROWNIANO• EFFETTO

FOTOELETTRICO• RELATIVITÀ

RISTRETTA

IL PERSONAGGIO PRINCIPALE È EINSTEIN, MA LA MOSTRA CERCA DI PRESENTARE LO SVILUPPO DEL SUO PENSIERO SCIENTIFICONATURALMENTE CENTRANDO L’ATTENZIONE SUI SUOI CONTRIBUTI DEL 1905

PERCHÈ (QUASI) SOLAMENTE LA SCIENZA?

PARLARE DI EINSTEIN IN MODO ESAURIENTE SIGNIFICHEREBBE DEDICARE UNA MOSTRA AD OGNI RISVOLTO DELLA SUA PERSONALITA’ (i suoi rapporti con la scuola, la religione, la società, gli hobbies,la guerra, la famiglia….)

IN QUESTA MOSTRA, LA GUIDA E’ LASCIATA ALLE PAROLE CHE EINSTEIN SCRISSE NELLA SUA AUTOBIOGRAFIA SCIENTIFICA,

REDATTA A 67 ANNI (E PUBBLICATA NEL 1949)

LA MOSTRA DEVE ESSERE RACCONTATA COME UNA STORIA: LA STORIA DELL’EVOLUZIONE DELLA FISICA, VISTA ATTRAVERSO L’EVOLUZIONE DEL PENSIERO SCIENTIFICO DI EINSTEIN

AIUTARSI CON LE CITAZIONI POSTE SUI MURI!

LE POSTAZIONI E LE VARIE SEZIONI VANNO QUINDI COLLEGATE FRA LORO

COME SI ARTICOLA IL PERCORSOSEI SEZIONI:

• “IL TRENINO DI GALILEO” : SI ANTICIPANO I GRANDI TEMI : I SISTEMI DI RIFERIMENTO E (QUALCHE) PROPRIETÀ DELLA LUCE

• “I GIOCHI DI EINSTEIN” LA MATEMATICA; LA MECCANICA CLASSICA

•“ONDE E LUCE” L’OTTICA CLASSICA, IL DIBATITO SULLA NATURA DELLA LUCE

•“ELETTRICITÀ E MAGNETISMO” LA SINTESI DI MAXWELL

•“IL MONDO ATOMICO” L’ESISTENZA DEGLI ATOMI; L’EFFETTO FOTOELETTRICO; LA TEORIA DEI QUANTI; MODELLI ATOMICI E MOLECOLARI

•“SPAZIO, TEMPO E RELATIVITÀ” LA RELATIVITÀ RISTRETTA E GENERALE: ALCUNE IDEE

“I GIOCHI DI EINSTEIN”

- IL PERCORSO NARRATIVO

- I CONTENUTI

Le postazioni nel cortile servono per introdurre il concetto di sistema di riferimento inerziale e non inerziale, per introdurre il tema della relatività dei moti e la spiegazione galileiana. Saranno poi da ricordare più avanti quando si parlerà della relatività di Einstein

Il tunnel aiuta a divertire. Introduce anche l’idea di onda polarizzata, che servirà poi per “aiutare” a sconfiggere l’ipotesi dell’esistenza dell’etere.

La “storia” inizia nella prima stanza.

1)Come si fa a diventare scienziati: essere curiosi, amare la matematica

2)Cosa si sapeva (cosa sapeva Einstein) alla fine dell’ottocento sul moto dei corpi “grandi”:tutto era spiegato dalle poche leggi elaborate da Newton.

Si deve far notare che tutti i giochi esposti, benché così diversi,sono spiegabili con la meccanica classica. Non è pensabile di spiegarli uno per uno (uno a richiesta, o a scelta della guida..)

La storia prosegue nella seconda stanza:oltre al moto dei corpi la fisica cerca di spiegare la natura della luce in base al suo comportamento.

Molti fenomeni vengono spiegati pensando alla luce come a un flusso di “particelle”.

Ma la luce dà luogo anche a fenomeni tipici delle onde, come la diffrazione (prima si mostra la diffrazione con onde più familiari, le onde d’acqua, poi la diffrazione con la luce).

ONDA O PARTICELLA?

Inoltre: la campana a vuoto permette di “convincersi” che la luce non ha bisogno di un mezzo per propagarsi

Terza stanza, prima sezione

Ma ci sono altri fenomeni da spiegare: fenomeni elettrici e magnetici

La teoria di Maxwell racchiude in sole quattro leggi l’elettricità, il magnetismo e l’ottica.

Alla fine dell’ottocento la luce è un’onda elettromagnetica, al pari della radiazione infrarossa, delle microonde, delle onde radio, dei raggi X….

Terza stanza, seconda sezione

VA TUTTO BENE?

NO!

SI OSSERVANO COMPORTAMENTI STRANI: L’EMISSIONE DELLA RADIAZIONE DEI CORPI “NERI”;

L’EMISSIONE DI SPETTRI A RIGHE,

L’EFFETTO FOTOELETTRICO.

Nessuna di queste osservazioni è spiegabile con la fisica classica (quella prima di Einstein)

…PER NON PARLARE DELL’ IPOTESI DELL’ESISTENZA DEGLI ATOMI…

EINSTEIN SI INSERISCE IN QUESTO CONTESTO:

GIUSTIFICA L’ESISTENZA DEGLI ATOMI CON LA SPIEGAZIONE DEL MOTO BROWNIANO

GIUSTIFICA L’EFFETTO FOTOELETTRICO MUTUANDO L’IDEA DI PLANCK DEI QUANTI DI LUCE

SI APRE LA VIA DELLA QUANTIZZAZIONE DELLE GRANDEZZE FISICHE E DELL’IDEA DELLA DUALITÀ ONDA-CORPUSCOLO

Per studiare i corpi molto molto piccoli (~ miliardesimo di cm)ci vuole una nuova fisica. La fisica quantistica.

IL MONDO ATOMICO

“Il mio scopo precipuo era di trovare fatti che confermassero, per quanto era possibile,l’esistenza di atomi di determinate dimensioni finite. … scoprii che, in base alla teoria atomica, doveva esserci un movimento di particelle microscopiche sospese, accessibili all’osservazione,senza sapere che le osservazioni relative ai moti browniani erano già da lungo tempo note.”

“verso la fine del secolo,…., si aprì una seconda crisi di fondamentale importanza, la cui gravità fu subito riconosciuta grazie alle ricerche di Max Planck sulla radiazione termica (1900).”

“Planck ha introdotto nella fisica un nuovo elemento ipotetico: l’ipotesi dei quanti di luce.”

“Ma che cos’è dunque la luce? È forse un’onda oppure un getto di corpuscoli?”

“Questa duplice natura della radiazione (e dei corpuscoli materiali) è una delle proprietà principali della realtà fisica” “C’eravamo assuefatti a considerare gli elettroni come corpuscoli … ora dovremmo ammettere che essi possono comportarsi come onde. Questa fu la nuova e coraggiosa idea di de Broglie”

Quarta stanza

ALTRI PROBLEMI DELLA FISICA CLASSICA:

LA TEORIA DI MAXWELL NON SODDISFA LA RELATIVITÀ GALILEIANA:SE ESEGUO ESPERIMENTI DI ELTTROMAGNETISMO SUL TRENO E A TERRA ,NON RIESCO A CONFRONTARE I RISULTATI…

INOLTRE C’È ANCORA IL PROBLEMA DELL’ETERE…

NASCE LA RELATIVITÀ RISTRETTA

CONSEGUENZE: SPAZIO E TEMPO SONO ENTITÀ STRETTAMENTE COLLEGATE

CADE IL CONCETTO DI SIMULTANEITÀ

CONTRAZIONE LUNGHEZZE

DILATAZIONE TEMPI

EQUIVALENZA MASSA-ENERGIA

LA RELATIVITÀ RISTRETTA ASSEGNA ANCORA AI SISTEMI DI RIFERIMENTO INERZIALI UN RUOLO PRIVILEGIATO.

SECONDO EINSTEIN CIÒ NON PUÒ ESSERE: LE LEGGI DELLFISICA DEVONO ESSERE LE STESSE IN TUTTI I SISTEMI DI RIFERIMENTO: NASCE LA RELATIVITÀ GENERALE

I SISTEMI DI RIFERIMENTO ACCELERATI POSSONO ESSERE PENSATI COME REGIONI DI SPAZIO IN CUI AGISCE LA GRAVITÀ. ANCHE IN QUESTI SISTEMI VALGONO LE LEGGI DELLA FISICA.

CONSEGUENZA DELLA TEORIA:

LA GRAVITÀ (LA PRESENZA DI MASSE) DISTORCE LO SPAZIO-TEMPO

SI DEVE USARE UNA “NUOVA” GEOMETRIA

“La relatività ristretta introduce una modifica della legge newtoniana del moto del punto, che consiste nel considerare la velocità della luce nel vuoto come la velocità limite”

“.. nell’ambito della teoria della relatività speciale non c’era posto per la gravitazione”

“Allora mi venne in mente …. una ulteriore generalizzazione dei concetti di spazio e di tempo” “Secondo la teoria della relatività non c’è differenza essenziale fra massa ed energia. L’energia possiede massa e la massa rappresenta energia”

CONCLUSIONE: QUAL È LA TEORIA FISICA “GIUSTA”?

È EVIDENTE CHE LA FISICA È IN CONTINUA EVOLUZIONE E MAI SI PUÒ CONCLUDERE DI AVERE UNA TEORIA “FINALE”.

TUTTAVIA:

-OGNI NUOVA TEORIA DEVE SPIEGARE UN NUMERO DI FATTI SEMPRE MAGGIORE

- OGNI TEORIA HA UN SUO CAMPO DI VALIDITÀ

LA MECCANICA DI NEWTON È VALIDA SE LE VELOCITÀ SONO PICCOLE (rispetto alla velocità della luce)

LA RELATIVITÀ RISTRETTA È UN CASO LIMITE DELLA RELATIVITÀ GENERALE QUANDO SIA ASSENTE IL CAMPO GRAVITAZIONALE

LA MECCANICA QUANTISTICA VA APPLICATA QUANDO LE DIEMENSIONI DELLE PARTICELLE SONO ESTREMAMENTE PICCOLE.

“I GIOCHI DI EINSTEIN” –LA “FILOSOFIA”

“Provai una meraviglia di questo genere all’età di 4 o 5 anni, quando mio padre mi mostrò una bussola. Il fatto che quell’ago si comportasse in quel certo modo non si accordava assolutamente con la natura dei fenomeni che potevano trovar posto nel mio mondo concettuale di allora, tutto basato sull’esperienza diretta del “toccare””

“All’età di 12 anni provai una nuova meraviglia di natura completamente diversa; e fu leggendo un libretto sulla geometria piana euclidea, capitatomi fra le mani al principio di un anno scolastico. C’erano delle asserzioni, ad esempio quella che le tre altezze di un triangolo si intersecano in un sol punto, che-pur non essendo affatto evidenti- potevano tuttavia essere dimostrate con tanta certezza da eliminare qualsiasi dubbio”

“Nonostante il rigoglio delle ricerche particolari, in materia di principi predominava una rigidezza dogmatica: in origine (se origine vi fu) Dio creò le leggi del moto di Newton insieme con le masse e le forze necessarie. Questo è tutto…Ciò che il secolo XIX riuscì a fare basandosi solo su questo, ….non poteva non suscitare l’ammirazione di ogni persona intelligente”

LA MERAVIGLIA

Questo è l’aspetto che l’operatore deve tenere costantemente presente

“Esiste una passione per la comprensione proprio come esiste una passione per la musica…senza di essa non ci sarebbero né la matematica né le altre scienze” (Sci. Am, 1950)

LA MATEMATICA

Anche il ruolo della matematica è centrale: sia per il fascino esercitato su Einstein, sia per la “funzione” esercitata da questa disciplina sulle varie teorie fisiche .

Si pensi al calcolo differenziale, alla statistica….

e Einstein nel 1912:

“Mi sto ora occupando dei problemi della gravità e credo che, con l’aiuto di un matematico(Grossmann) … riuscirò a venire a capo di tutte le difficoltà. Ma una cosa è certa: che in tutta la mia vita non ho mai faticato tanto ; e che mi sono imbevuto di un grande rispetto per la matematica, le cui parti più sottili, nella mia innocenza,avevo fino ad ora riguardato come un lusso superfluo”.(lettera a Sommerfeld)

Ancora Einstein nell’autobiografia:

“Il fatto che trascurassi in parte le matematiche dipese …. anche da questa strana esperienza:mi accorsi, cioè, che le matematiche si dividevano in numerosi rami, ciascuno dei quali poteva assorbire facilmente il breve tempo che ci è concesso di vivere.”

“… da studente non capivo bene che la possibilità di conoscere più profondamente i principi fondamentali della fisica è legata a metodi matematici più complicati”

LA MECCANICA DI NEWTON:

IL SUCCESSO DELLA TEORIA E

I DUBBI DI EINSTEIN (e di altri scienziati):

lo spazio assoluto, il tempo assoluto, l’azione a distanza

“A causa del successo quasi miracoloso del sistema newtoniano, le generazioni successive di fisici si abituarono all’idea di azione a distanza. Ogni dubbio fu sepolto per molto tempo a venire”. (Sc. Am.1950)

ONDE E LUCE

“l’incorporazione dell’ottica nella rappresentazione meccanica del mondo non poteva non far sorgere seri dubbi.”

“Ma qual è il mezzo attraverso il quale si propaga la luce e quali sono le sue proprietà meccaniche?”

“Se la luce doveva essere interpretata come un movimento ondulatorio in un corpo elastico (etere) quest’ultimo doveva essere un mezzo che permeava ogni cosa… Questo etere doveva condurre un’esistenza da fantasma accanto al resto della materia, poiché sembrava non offrire alcuna resistenza al moto dei corpi “ponderabili””

Anche nel caso dei fenomeni riguardanti l’ottica, la teoria della luce vista come onda ha successo: si spiegano la riflessione,la rifrazione, l’interferenza, la diffrazione.

Rimane il DUBBIO sul mezzo in cui si propagano le onde:

ESISTE L’ETERE? COME DEVE ESSERE AFFINCHÈ POSSA PERMETTERE ALLE ONDE POLARIZZATE DI ATTRAVERSARLO?

ELETTRICITÀ E MAGNETISMO

“Al tempo in cui ero studente, l’argomento più affascinante era la teoria di Maxwell. Ciò che la faceva sembrare rivoluzionaria era il fatto che assumeva, come grandezze fondamentali, non più le forze a distanza, ma i campi. L’incorporazione dell’ottica nella teoria dell’elettromagnetismo, …., tutto ciò era come una rivelazione.”

Il fascino di una teoria sta anche nella sua capacità di unificare fenomeni o altre teorie

QUESTO VALE PER LA MECCANICA …

“Ciò che faceva più impressione sullo studente non era tanto la costruzione della meccanica come scienza a sé, o la soluzione di problemi complicati, quanto le conquiste della meccanica in campi che apparentemente non avevano nulla a che fare con essa” (Autobiografia scientifica,1949)

(…come la teoria cinetica dei gas)

UNIFICAZIONE DELLA FISICA

… PER LA TEORIA DI MAXWELL …

Dopo i tentativi (falliti) di incorporare l’ottica nella meccanica, la teoria di Maxwell riesce nell’intento di unificare ottica, elettricità e magnetismo.

“Questo inserimento dell’ottica nella teoria dell’e.m. rappresenta uno dei maggiori trionfi nello sforzo verso l’unificazione dei fondamenti della fisica; Maxwell raggiunse questa unificazione …. molto prima che fosse convalidata dal lavoro sperimentale di Hertz.”

… PER LA RELATIVITÀ …

“La teoria della relatività ristretta ha consentito progressi apprezzabili: ha riconciliato meccanica ed elettrodinamica…”

(Idee e problemi della relatività,1923)

“Una volta giustificata l’introduzione del principio ristretto di relatività, ogni mente portata alla generalizzazione sentirà la tentazione di azzardare il passo verso il prncipio generale di relatività”

(Relatività:esposizione divulgativa,1917/50)

L’UNIFICAZIONE DELLA FISICA RIMANE ILSOGNO DELLA VITA DELLO SCIENZIATO EINSTEIN

“Per il momento, dobbiamo ammettere di non possedere una base teorica generale per la fisica, che possa essere riguardata come il suo fondamento logico”

(da: “I fondamenti della fisica teorica” 1940)

“ … una ragione per elaborare nuove teorie.. sta nello sforzo di unificazione e semplificazione dei fondamenti della teoria nel suo insieme” (Sci.Am.1950)

“Una teoria è tanto più convincente quanto più semplici sono le premesse, quanto più varie sono le cose che collega, quanto più esteso è il suo campo di applicazione. Per questo la termodinamica classica mi fece un’impressione così profonda”

(Autobiografia scientifica,1949)

“La fisica costituisce un sistema logico di pensiero in evoluzione…L’evoluzione procede nella direzione di una crescente semplicità dei fondamenti logici” (Fisica e realtà,1936)

SEMPLICITÀ: un altro aspetto fondamentale di una teoria

PER RIASSUMERE

ALCUNE PAROLE CHIAVE RELATIVE AL METODO DELLA RICERCA SCIENTIFICA DI EINSTEIN SONO:

LA MERAVIGLIA

LA MATEMATICA

IL DUBBIO, IL CONFRONTO CON L’ESPERIENZA

IL POTERE UNIFICANTE

LA SEMPLICITÀ

Ogni tipologia di visitatore (classi di ogni ordine di scuola, pubblico generico) può apprezzare e comprendere i punti di cui sopra

ED ORA:

BUON LAVORO A TUTTI!