SENSO E PERCORSO DELLA MOSTRA
“I
GIOCHI DI EINSTEIN”
Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento
Museo 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 SCIENTIFICO
NATURALMENTE 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 PERCORSO
SEI 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.”
UNIFICAZIONE DELLA FISICA
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)
… 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)
SEMPLICITÀ: un altro aspetto fondamentale di una
teoria
“ … 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)
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!