La luce e l'evoluzione della fisica

La luce e l’evoluzione della fisica

Maturità 2009

Gabriele Belloni

Liceo scientifico statale G. Marconi, classe VF

Esame di Stato anno 2008/2009

TESINA di ambito scientifico: “La luce e l’evoluzione della fisica”

Principali argomenti trattati

La natura della luce e le teorie formulate sulla sua natura nella storia, la teoria elettromagnetica, la teoria della relatività, la teoria quantistica, fisica moderna e teoria del tutto.

Bibliografia, sitografia

Per le nozioni di fisica/fisica moderna:

• Wikipedia.it
• Atuttascuola.it
• Libro di testo in uso “La fisica per i licei scientifici vol. 3” (Ugo Amaldi)

Per le nozioni di scienze/chimica:

• Wikipedia.it
• Libro di testo in uso per scienze: “Il globo terrestre e la sua evoluzione”, (Palmieri, Parotto)
• Libro di testo in uso per chimica: “Le idee della chimica”, (Valitutti, Tifi, Gentile)

Per le citazioni:

• Wikiquote.org
• “Le cinque equazioni che hanno cambiato il mondo”, di Michael Guillen

1. La luce e l’evoluzione della fisica

Maturità 2009. Da Newton ad oggi:

La luce e l’evoluzione della fisica

Storia di un fenomeno che ha attraversato l’evoluzione della fisica ed è ancora oggi oggetto di studi.

Indice

• Pag. 3 introduzione
• Pag. 5 natura della luce
• Pag. 8 teoria elettromagnetica
• Pag. 12 relatività ristretta
• Pag. 18 fisica moderna e spaziotempo, introduzione alla “TOE”
• Pag. 22 meccanica quantistica e la teoria delle superstringhe

2. La luce e l’evoluzione della fisica

Maturità 2009. Introduzione

La luce è sempre stata un mistero, nonché oggetto di studio degli scienziati di tutti i tempi. A suscitare curiosità sono stati la sua misteriosa natura, il fatto che si propagasse in maniera apparentemente istantanea, e che fosse in grado di attraversare alcuni materiali nonché, a differenza ad esempio del suono, era in grado di propagarsi nel vuoto. O meglio, come sostenevano gli scienziati fino a un paio di secoli orsono, nell’etere. L’etere era una sostanza immaginaria, che gli scienziati ponevano ove noi ora accettiamo che sussista il vuoto.

Dicevamo che la luce, a differenza del suono, era in grado di propagarsi nel vuoto\etere, e per dimostrarlo venne fatto questo curioso esperimento: una sveglia venne posta sotto una campana di vetro, e fin lì tutto bene, la sveglia si vedeva e si sentiva ancora. Poi con delle potenti pompe, fu estratta tutta l’aria da sotto la campana, sotto la quale rimanevano ora la sveglia ed il vuoto. Il ticchettio era misteriosamente scomparso, ma l’immagine della sveglia era sempre lì: cioè le onde sonore necessitano di un mezzo elastico per potersi propagare, le onde della luce, che poi vedremo essere elettromagnetiche, no.

Un’altra proprietà che veniva attribuita alla luce, dicevamo, era quella di propagarsi in modo apparentemente istantaneo, cioè, credevano nel passato, ad una velocità infinita.

“Per quanto è possibile sapere, Galileo Galilei fu la prima persona a sospettare che la luce non si propagasse istantaneamente e a cercare di misurarne la velocità, ma è possibile che altri prima di lui abbiano ipotizzato un valore finito della velocità della luce. Galileo scrisse del suo tentativo infruttuoso di usare lanterne per mandare dei lampi di luce tra due opposte colline fuori Firenze.

“La prima misura della velocità della luce è stata fatta da Rømer, utilizzando una anomalia nella durata delle eclissi dei pianeti Medicei, i satelliti di Giove scoperti da Galileo. Egli ottenne un valore di circa 210

3. La luce e l’evoluzione della fisica

Maturità 2009

800 000 m/s, dovuto alla scarsa precisione con cui aveva misurato il tempo necessario alla luce per percorrere il diametro dell’orbita terrestre. Una targa all’Osservatorio di Parigi, dove l’astronomo danese lavorava, commemora quella che fu, in effetti, la prima misurazione di una quantità universale, fatta su

Journal des

questo pianeta. Rømer pubblicò i suoi risultati, che contenevano un errore del 10-25%, nel

sçavans.

Altre misure sono state effettuate da James Bradley, Hippolyte Fizeau e altri, fino a giungere al valore oggi accettato.” (da: Wikipedia http://it.wikipedia.org/wiki/Velocit%C3%A0_della_luce)

4. La luce e l’evoluzione della fisica

Maturità 2009. Natura della luce

Riguardo alla natura della luce sono state formulate varie teorie: le prime due, nate all’incirca contemporaneamente sono quella corpuscolare e quella ondulatoria. Dopo i primi successi della teoria corpuscolare, sostenuta dalla fama di Isaac Newton, sembrò prevalere la ondulatoria; questa poi fu ridefinita da Maxwell dimostrando che la luce era un’onda sì, ma elettromagnetica, e non meccanica; la dualità onda-particella rimase sempre un problema di fondo, fino a quando si fu costretti ad affrontarla nel ‘900 per spiegare l’effetto fotoelettrico: si scoprì che un fascio di luce era in grado di strappare elettroni ad una lastra di metallo; per renderlo con un esempio si potrebbe immaginare una manciata di ghiaia (le particelle della luce) che colpisce una pallina da tennis (l’elettrone), spostandola. La luce aveva perciò una massa? D’altra parte rimanevano indiscusse le proprietà ondulatorie della luce; il problema fu risolto da De Broglie:

De Broglie per primo ipotizzò che il dualismo onda – particella non si dovesse applicare solo alla luce, ma anche alla materia. Dobbiamo così abbandonare il buon senso, che ci dice che un oggetto è un’onda oppure una particella.

“La scienza non può svelare il mistero fondamentale della natura. E questo perché, in ultima analisi, noi stessi siamo parte dell’enigma che stiamo cercando di risolvere.”

(M. Planck)

5. La luce e l’evoluzione della fisica

Maturità 2009

La lunghezza d’onda di un corpuscolo materiale di massa m e velocità di modulo v è:

ℎ

=

Non ci vuole molto a verificare che se lanciamo un sasso che pesa 100 grammi a una velocità di 10 metri al secondo, il suo moto ondulatorio avrà una lunghezza d’onda pari a 6.6 x 10^-34 metri, cioè miliardi di miliardi

di volte più piccola delle dimensioni di un nucleo atomico. Risulterebbe quindi impossibile osservare gli effetti ondulatori di questa oscillazione: il moto ondulatorio degli oggetti della vita quotidiana è del tutto irrilevante.

D’altra parte se consideriamo un corpuscolo di massa quasi nulla, la sua proprietà ondulatoria intrinseca diventa notevole.

La luce è perciò formata da corpuscoli che oscillano (e hanno dunque le proprietà di un’onda), come descritto nell’equazione di De Broglie.

Ancora oggi la luce è interpretata come un fascio di particelle oscillanti, i quanti di luce, che furono battezzati fotoni.

Ora una breve sintesi delle prime due teorie, poi un approfondimento su quella elettromagnetica di Maxwell, che segnò una svolta nella fisica, ed infine un accenno alla teoria quantistica che verrà ripresa più avanti nel capitoletto dedicato alla fisica moderna.

Teoria corpuscolare

La teoria corpuscolare: formulata da Isaac Newton nel XVII secolo. La luce veniva vista come composta da piccole particelle di materia (corpuscoli) emesse in tutte le direzioni, seguiva le leggi meccanicistiche, e aveva il difetto di non riuscire a spiegare i fenomeni della diffrazione e dell’interferenza;

Una conseguenza della teoria corpuscolare della luce è che questa, per via dell’accelerazione gravitazionale, aumenti la sua velocità quando si propaga all’interno di un mezzo più denso: questa informazione si dimostrerà sperimentalmente errata, infatti la luce si propaga più lentamente in un mezzo più denso, ovvero con indice di rifrazione più elevato.

=

6. La luce e l’evoluzione della fisica

Maturità 2009. Teoria ondulatoria nel Traité de la Lumière.

Formulata da Christiaan Huygens nel 1678 ma pubblicata solo nel 1690.

La teoria ondulatoria di Huygens considera la luce un’onda di lunghezza d’onda microscopica; e spiega i due fenomeni su cui la teoria corpuscolare era in contraddizione; d’altra parte l’onda necessita di un mezzo per propagarsi, e al posto del vuoto si immagina che ci sia l’“etere”. Questo era una sostanza immaginaria che chiaramente non esisteva.

Nel 1801 Thomas Young dimostrò come i fenomeni della diffrazione (osservato per la prima volta Francesco Maria Grimaldi nel 1665) e dell’interferenza fossero interamente spiegabili dalla teoria ondulatoria e non lo fossero dalla teoria corpuscolare.

7. La luce e l’evoluzione della fisica

Maturità 2009

Teoria elettromagnetica

La luce della teoria elettromagnetica di Maxwell invece, poteva propagarsi anche nel vuoto, grazie al rapporto di induzione reciproca fra i due campi elettrico e magnetico; dunque una volta generata essa era svincolata dalla propria sorgente, e si propagava come un’onda elettromagnetica, in un mezzo, come nel vuoto. Questa teoria spiega praticamente tutti i fenomeni luminosi, ed è in larga parte utilizzata ancora oggi. Mostra che la luce visibile è una parte dello spettro elettromagnetico. Con la formulazione delle equazioni di Maxwell vennero completamente unificati i fenomeni elettrici, magnetici ed ottici.

“Tra molto tempo – per esempio tra diecimila anni – non c’è dubbio che la scoperta delle equazioni di Maxwell sarà giudicato l’evento più significativo del XIX secolo. La guerra civile americana apparirà insignificante e provinciale se paragonata a questo importante evento scientifico della medesima decade.”

(Richard Feynman)

“La teoria della relatività ristretta ha le sue origini nelle equazioni del campo elettromagnetico di Maxwell.”

(Albert Einstein)

Maxwell, fisico scozzese nato nel 1831, radunò le quattro equazioni finora esistenti per l’elettromagnetismo, che erano flusso e circuitazione del campo elettrico, f. e c. per il campo magnetico;