The turn of the century

M. Sachs, Concepts of modern Physics, the Haifa lectures (2007)

J. Jeans, Physics and Philosophy

Jean Perdijon, Histoire de la physique

M. C. Escher

La fisica nel 1895

• Comunità di un migliaio di persone, al top: Inghilterra, Francia, Germania.

Poi: Italia, USA, Russia, Svizzera, Austria, Olanda.

• Personaggi cult: Lord Kelvin; Helmholtz († '94); Lorentz; Pasteur († '95):

“Egli personificava lo spirito ottimista della fine del secolo e la ferma fede che la

scienza avrebbe risolto molti o forse tutti i problemi dell'umanità” (Segrè)

• “un laboratorio era spesso classificato secondo la potenza delle batterie di pile di

cui disponeva” (Segré)

• No distribuzione di corrente; no telefono – no aereo/auto...

• Strumentazione comune: rocchetto di Rühmkorff (scariche ad alta tensione); pompe

da vuoto (ore e ore di faticoso lavoro manuale)

• Annalen der Physik und Chemie → Annalen der Physik

Josiah Willard Gibbs (1839-1901)

Scritti astratti, compatti, difficili - Solo nel 1899 (a parte Maxwell, che gli spedisce dei modelli tridimensionali

in gesso delle sue superfici termodinamiche – volume, entropia, energia) – tradotti in tedesco, sono noti in

Europa i suoi lavori:

1. Termodinamica: Usando il calcolo differenziale sulle variabile termodinamiche (U, P, V, T, S) deduce tutta

una serie di proprietà: fenomeni elastici e di superficie, transizioni di fase, chimica

2. Meccanica statistica (dal 1892) “Elementary principles in statistical mechanics”– tutto quello che avevano

fatto poi in Europa, c'era già in Gibbs!

"Having once condensed a truth into a concise and very general formula, he would not think of churning out

the endless succession of specific cases that were implied by the general proposition; his intelligence, like

his character, was of a retiring disposition."

A fine XIX secolo: Comunità USA dei fisici: 250 USA- sperimentali, deboli in teoria

→ Gibbs è il primo teorico USA; University of Yale

Oltreoceano: attività in forte espansione...

Invece che seguire un sistema nel tempo, G. considera una distribuzione di sistemi nello spazio delle fasi:

“we may imagine a great number of systems of the same nature, but differing in the

configurations and velocities which they have at a given instant, and differing

not merely infinitesimally, but it may be so as to embrace every conceivable

combination of configuration and velocities. And here we may set the problem, not

to follow a particular system through its succession of configurations, but to

determine how the whole number of systems will be distributed among the various

conceivable configurations and velocities at any required time, when the distribution

has been given for some one time. [...] Such inquires have been called by Maxwell

statistical. [This approach] owes its origin to the desire to explain the laws of

thermodynamics on mechanical principles”

(dall'introduzione a “Elementary principles in statistical mechanics”)

L'approccio di Gibbs

H. A. Rowland (1848-1901)

“a science above all sciences, which deals with the foundation of the Universe, with the constitution of matter from

which everything in the Universe is made, and with the ether of space by which alone the various portions of

matter forming the Universe affect each other even at such distances as we may never expect to traverse

whatever the progress of our science in the future”

“we form an aristocracy, not of wealth, not of pedigree, but of intellect and of ideals, holding him in the highest

respect who adds the most to our knowledge or who strives after it as the highest good” “He who makes two

blades of grass grow where one grew before is the benefactor of mankind; but he who obscurely worked to

find the laws of such growth is the intellectual superior as well as the greater benefactor of the two.”

“What is matter; what is gravitation; what is ether and the radiation through it; what is electricity and magnetism;

how are these connected together and what is their relation to heat? These are the greater problems of the

universe. But many infinitely smaller problems we must attack and solve before we can even guess at the

solution of the greater ones”

• Campo magnetico da disco rotante carico; Reticoli di diffrazione

• Fondatore e Primo presidente dell'American Physical Society

– protagonista del cambio di “paradigma” nelle università USA: da insegnamento a ricerca

• Da The highest Aim of the Physicist (primo numero del Society's bulletin), 1899

(es. di “vittima”: Henry)

E se volete qualche parola forte a favore della ricerca di base...

“Such deaths some people consider an act of God. What blasphemy to attribute to God which is

due to our own and our ancestors' selfishness in not founding institutions for medical

research in sufficient number and with sufficient means to discover the truth. Such deaths are

murder. Thus the present generation suffers for the sins of the past and we die because our

ancestors dissipated their wealth in armies and navies, in the foolish pomp and circumstance

of society; and neglected to provide us with a knowledge of natural laws. In this sense they

were the murderers and robbers of future generations of unborn millions, and have made the

world a charnel house of mourning where peace and happiness might have been. […] But all

the sciences are linked together and must advance in concert. The human body is a chemical

and physical problem, and these sciences must advance before we can conquer disease.”

“Nothing can be nobles than a life devoted to its cure [of the disease]. The aim of the physicist,

however, are in part purely intellectual: he strives to understand the Universe on account of

the intellectual pleasure derived from the pursuit, but he is upheld in it by the knowledge that

the study of nature's secrets is the ordained method by which the greatest good and

happiness shall finally come to the human race.

“Il secolo passato [l'Ottocento] ci lasciò in eredità una Scienza Fisica che sembrava

quasi perfetta, e che pareva non abbisognasse di grandi ritocchi, per

costituire quasi una stabile conquista dell'umanità. Iniziatasi per opera di Volta

con l'alba delle grandi scoperte elettriche, diede luogo, per tappe gloriose,

compiute secondo due vie distinte, l'una elettrica e l'altra ottica, alla

unificazione di questi due cammini apparentemente diversi. L'elettromagnetismo

di Faraday e l'ottica di Fresnel furono riconosciuti come casi diversi di un unico

fenomeno; dal che nacque la teoria elettromagnetica della luce, fondata da

Maxwell, sviluppata da Hertz e, più tardi, da Righi e Lorentz. […]

Parallelamente, si andava sviluppando, già dall'inizio del secolo scorso, la

dottrina energetica della materia, culminando, attraverso le concezioni

termodinamiche, nel principio di conservazione dell'energia (che si è fuso nel

nostro secolo, per la teoria della relatività, col principio della conservazione

della materia) e nel secondo principio della termodinamica. […] In questa sua

secolare opera, il fisico era riuscito a riunire in un'unica categoria, fenomeni

apparentemente disparati, quali quelli meccanici e termici da un canto; ed in

altra, dalla prima distinta, quelli elettrici e ottici. […] Il secolo passato […] si

chiudeva così con l'affermazione di concetti fondamentali […] ritenuti

solidissimi e cioè: la materia (includente l'esistenza di suoi componenti quali

l'elettrone); l'etere cosmico (concezione secolare ritenuta rispondente al vero,

quasi come quella della materia) e l'energia (concetto che dominava quasi la

comprensione di tutti i fenomeni)”

(Q. Majorana, Nuove ipotesi e fatti nella fisica del Novecento)

elettricità ottica

elettromagnetismo

meccanica

calore

ParticelleOnde (mezzo )

Cons. energia

ottica

magnetismo

Discorsi di Lord Kelvin, 1892 e 19001892

“La fisica si è definitivamente costituita entro i suoi concetti fondamentali; tutto quel che si può

ancora aggiungere è la determinazione precisa di qualche cifra decimale in più. In effetti ci sono

due piccoli problemi: quello del risultato negativo dell'esperienza di Michelson e quello del corpo

nero; ma questi saranno rapidamente risolti e non altereranno per niente la nostra confidenza.”

1900

Lezione intitolata Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light . Le due

nubi oscure a cui allude sono le insoddisfacenti spiegazioni che la fisica di quel periodo poteva dare

per due fenomeni: l'esperimento di Michelson-Morley e la radiazione di corpo nero.

Discorso di A. Michelson, 1894

“It seems probable that most of the grand underlying principles have been firmly established and

that further advances are to be sought chiefly in the rigorous application of these principles to all the

phenomena which come under our notice... An eminent physicist [Kelvin?] has remarked that the future

truths of Physical Science are to be looked for in the sixth place of decimals.”

(cit. Holton)

Gli elementi di crisi: anomalie*

• VELOCITA' DELLA LUCE: composizione non galileiana della velocità!

...misura di Michelson e Morley (1887) : c in ogni direzione, e non c ± v

...nelle eq. di Maxwell non c'è nulla che trasformi c per diversi osservatori

• RADIAZIONE DI CORPO NERO: radiazione finita nell'esperimento

…ma: “catastrofe ultravioletta”! emissione proporz. alla frequenza

• EFFETTO FOTOELETTRICO: dipende dalla frequenza della luce

...ma: dipendenza solo secondaria dalla intensità della luce

• CAOS DETERMINISTICO: dipendenza dalla condizione iniziale

• NUOVE ENERGIE: radioattività, raggi X

• SPETTRO DISCRETO da spettroscopia di gas (Fraunhofer, 1814)

…tutti gli altri fenomeni hanno sempre fatto emergere una struttura CONTINUA dell'energia!

• MODELLO ATOMICO

...ma: emissione di onda e.m. dall'elettrone → instabilità

N.B.: anomalie rispetto al paradigma vigente all'epoca!

Radiazione di corpo nero

λ(max)=K/T (legge di Wien)T cresce, λ decresce (aumenta ν)

ρ ( ν)=8π ν²/c · KTT

legge di Rayleigh-Jeans (densità di energia)

n.ro modi normali

equipartizione dell'energia

(½ KT per gdl)

“catastrofe ultravioletta!”ρ →∞ per ν→∞

energia = σT (legge di Stefan)4

Oss:→KT per ν→0→0 per ν→∞

hν----------------exp(hν/kT)-1

hp. dei quanti di luce di Planck

ρ ( ν)=8π ν²/c T

hν----------------exp(hν/kT)-1

→ accordo con esperimento, legge di Wien, legge di Stefan

Max Planck (1858-1947)

• Premio Nobel, 1918

• Vasta cultura, pianista; tendenze politiche

conservatrici (ma dovette rivoluzionare la fisica)

• Resta in Germania durante il III Reich

• Il figlio è giustiziato dal Reich per l'attentato a

Hitler

• Istituto Kaiser Wilhelm → Max Planck Institut

(MPG)

• Per anni Planck cercò di trovare una spiegazione della sua scoperta che non fosse

rivoluzionaria. Nel 1931 al fisico R.W. Wood che gli chiese come avesse fatto a

inventare una cosa così inaudita come la teoria dei quanti rispose: “Fu un atto di

disperazione. Avevo già lottato per sei anni con il problema del corpo nero.

Sapevo che il problema era fondamentale e ne conoscevo la legge; una

spiegazione teorica doveva trovarsi a qualunque costo, salvo la inviolabilità delle

due leggi della termodinamica” e alla fine della sua vita commentò: “I miei vani

tentativi di riconciliare in qualche modo il quanto elementare con la teoria

classica continuarono per molti anni e mi costarono grandi sforzi. Molti dei miei

colleghi videro in ciò quasi una tragedia, ma io la penso diversamente perché la

profonda chiarificazione che ricevetti da questo lavoro fu di gran valore per me.

Ora so di sicuro che il quanto d'azione ha una parte assai più significativa di

quel che sospettassi originariamente”. Tuttavia anche originariamente Planck era

perfettamente conscio di aver fatto una grande scoperta. Suo figlio narra che il

padre in una passeggiata gli disse che aveva trovato qualcosa degno di Newton.

E. Segré, Personaggi e scoperte della fisica contemporanea

• “The classical mechanics had envisaged a world constructed of matter and

radiation, the matter consisting of atoms and the radiation of waves. Planck's

theory called for an atomicity of radiation similar to that which was so well

established for matter. It supposed that radiation was not discharged from matter

in a steady stream like water from a hose, but rather like lead from a machine-

gun; it came off in separate chunks which Planck called quanta. This […] carried

tremendous philosophical consequences with it”

(J.Jeans)

• “The revolutionary nature of the new development must be evident to everybody,

and though the form of the dynamical quanta may for the present remain rather

mysterious, the facts available today leave no doubt as to their existence in some

form or other. For that which can be measure, exists”

(M. Planck, A survey of physical theory, 1925)

Raggi X, 1895

W. C. Roentgen, Würzburg; Über eine neue Art von Strahlen.

Primo premio Nobel per la fisica (1901); R. rinuncia al brevetto, per filantropia

Precedenti: Crookes, Lenard, Hertz, Tesla (radiazione dal tubo che impressiona

lastra fotografiche)

Emissioni da tubo catodico (raggi contro anodo; Bremsstrahlung = radiazione

emessa da carica decelerata) (altro modo: caduta di elettroni da livelli

energetici in atomi e molecole)

Diagramma di Feynman per la Bremsstrahlung

(Stesso giorno del primo cinema, Lumière)

Radioattività

• Scoperta di Henri Becquerel (1896): lastre fotografiche annerite da sali di Uranio

fosforescenti (pensa sia la fluorescenza - “caricata” al Sole, a produrre raggi X)

→ espone i sali e le lastre (in buste nere) al sole (idea: energia solare trasformata, dai sali, in altra

energia, come per la fosforescenza)

→ ma l'emissione di raggi dai sali avviene comunque, anche al buio (Parigi col cielo grigio...)

→ radioattività naturale

“Radioactive substances give off energy […] they seem to maintain the same state indefinitely, and the source

from which they derive the energy they give off escapes us […] among the hypotheses […] one of the

most likely lies in supposing that the emission of energy is the result of a slow modification of the

atoms of the radioactive substances (H. B., Nobel Lecture, 1903)

→ energia prodotta in continuazione... principio di conservazione dell'energia?!

• Marie Curie: proprietà condivisa da altri elementi (radio, polonio, torio, attinio...)

es.: 1 grammo di Ra scalda 1.3 grammi di acqua da 0° a 100° in 1 ora

• 1903: Nobel a Pierre e Marie Curie, Becquerel per la radioattività naturale.

“A second conspicous landmark in the field of the new physics is the enunciation of the fundamental law

of radioactive disintegration by Rutherford and Soddy in 1903. This law was in no sense a

consequence or development of Planck's theories; indeed fourteen years were to elapse before any

connection was noticed between the two. The new law asserted that the atoms of radioactive substances

broke up spontaneously, and not because of any particular conditions or special happenings. This seemed

to involve an even more startling break with classical theory than new laws of Planck; radioactive break-

up appeared to be an effect without a cause, and suggested that the ultimate laws of nature were not

even causal. […] The laws which governed the spontaneous jumps of kangaroos were shown to be of the

simplest; out of any number of kangaroos a certain proportion always jumped within a specified time, and

nothing seemed able to change this number. Also, before the jumps took place, there was nothing in the

world of phenomena to distinguish those kangaroos that were about to jump from

those that were not – neither good nor bad treatment

could make a kangaroo jump until it hopped out,

apparently of its own accord, to help fill the quota

demanded by the statistical law. As discontinuity

marched into the world of phenomena through one

door, causality walked out through another.”

(J. Jeans, op. cit.)

Effetto fotoelettrico

Prime misure già con Hertz (1886)

• Dati sperimentali:

frequenza di cutoff ;

en.cin. dei fotoelettr. dip. dalla frequenza;

dipendenza secondaria dall'intensità;

no time-lag

• Teoria elettromagnetica:

indipendenza dalla frequenza;

dipendenza dall'intensità;

time-lag;

Soluzione: quanti di luce (“fotoni”)

• Einstein, 1905 (annus mirabilis)

• E=hυ

→ anche un solo quanto di luce con υ ≥ υ(threshold) è sufficiente per dare fotoelettrone

→ luce ad alta intensità ma con υ ≤ υ(threshold) non dà fotoelettroni

• Idea accettata definitivamente (la luce è onda! - Millikan) solo nel 1919 dopo gli

esperimenti accurati di Millikan (Nobel 1923)

• Nobel per la fisica, 1921 (non per la relatività)

Velocità della luce ed etere

→ c+v

← c-v

Vento d'etere v =30km/s→

↕ (c²-v²)½

La figura di interferenza tra i raggi luminosi dovrebbe rivelare uno sfasamento dovuto ai tempi diversi (uguali distanze) impiegati

dai raggi di luce... ma non succede!

1887, Case Western Reserve U., ClevelandMichelson e Morley

(misura suggerita dallo stesso Maxwell, 1878)

spiegazione:→ etere solidale alla Terra?

→ contrazione dell'apparato di misura (trasf. di Lorentz, Fitzgerald)?

→ velocità = c rispetto a un qualunque sistema di riferimento (come nelle eq. di Maxwell)

→ per la luce non vale la composizione galileiana delle velocità

← v Terra, 30 km/s

“so long as such an ether could be called on, the transmission of force to a distance was easy to

understand; it was like ringing a distant bell by pulling a bell-rope” (J. Jeans)

Here's an old Russian/Jewish joke:

“The peasant Piotyr lives in the town of Kishinev early in the twentieth century. He has just witnessed the first

demonstration in Kishinev of a shortwave radio receiver and transmitter. Someone has used the radio to

converse with another person in Odessa, hundreds of miles away. Piotyr is astonished and asks his better-

educated friend Ivan how this amazing invention works.

“Very simple”, Ivan says. “Imagine a dog so large it stretches from Kishinev to Odessa. You step on the dog's

tail in Kishinev and it barks in Odessa.. Do you follow that?”

“I think so,” Piotyr says, hesitantly.

“Good,” Ivan says. “Now just remove the dog.” (Telushkin 1992:60)

(M. Lange, op. cit.)

L'elettromagnetismo senza etere

1897 Esperimento di J.J. Thomson: e/maka “scoperta dell'elettrone”

• Crookes: raggi catodici sono corpuscoli (mini-mulinello posto in rotazione dai raggi)

• Misura le deflessioni dei raggi catodici (emessi da catodi di vari materiali) con campi magnetici ed elettrici

→ m/e molto più piccolo (1/2000) che per H+

J.J. Thomson (1856-1942), Nobel 1906(per i corpuscoli elettronici, il figlio invece...)

→ la materia (gli atomi) contiene corpuscoli di carica negativa e massa un

duemillesimo di quella atomica

“l'ipotesi di uno stato della materia più finemente suddiviso dell'atomo è

alquanto sorprendente” “Molto tempo dopo, un collega autorevole che era

stato presente alla mia conferenza mi disse di aver pensato che io li stavo

prendendo in giro”

→ modello atomico di Thomson: il “panettone”

"we have in the cathode rays matter in a new state, a state in which the subdivision of matter is carried very much

further than in the ordinary gaseous state: a state in which all matter... is of one and the same kind; this matter

being the substance from which all the chemical elements are built up." (J.J. Thomson)

Oss.: ancora una volta, nuova tecnologia (Geissler, vuoto spinto, usa Hg; 1880 ca.) → nuovi “territori”

o è più grande la carica e...

o è più piccola la massa m...

1899: misura di e (“alla Millikan” - oil drop-)

Stabilità dell'atomo: da dove?? → nuova fisica

“Experimental physics had provided strong reasons for thinking that an atom

consists of a collection of electrons – negatively charged particles –

together with something which carries just enough positive electricity to

counteract the total negative charge of them all – for the total charge on a

normal atom is always zero. Now there is no mechanism within the

framework of the classical mechanics for endowing such a structure

with a permanent unchanging size. Its charges cannot stand at rest, or

they begin to fall into one another, and they cannot be in motion or they

become a perpetual-motion machine of the kind not permitted by

classical mechanics. Thus the mere permanence of the atom showed

the need for a revision of the classical mechanics.

And whatever system of mechanics we finally adopt, we should expect that

the fixed and unchanging sizes of atoms could be calculated by

combining the known constants of nature in some way or other. But

the constants known to the classical mechanics cannot be combined to

form a length at all, and this seemed to suggest that some other

fundamental constant of nature still remained to be discovered.”

(J.Jeans)

Caos deterministico, 1889

• Poincaré studia il problema dei tre corpi

“Si nous connaissions exactement les lois de la nature et la situation de l'univers à l'istant

initial, nous pourrions prédire exactement la situation de ce méme universe à un

instant ultérieur. Mais, lors même que les lois naturelles n'auraient plus de secret

pour nous, nous ne pourrons connaître la situation initiale qu'approximativement

[…]. Il peut arriver que de petites diffěrences dans les conditions initiales en

engendrent de trés grandes dans le phénomènes finaux; une petite erreur sur

les premières produrait une erreur énorme sur les derniers. La prédiction devient

impossible et nous avons le phénomène fortuit” (H.P., Science et methode)

Questo è il cuore stesso della fisica classica...