Da Galileo alla Fisica Moderna - un viaggio oltre il "senso comune" Catalina Curceanu LNF-INF

1. Da Galileo alla Fisica Moderna - un viaggio oltre il "senso comune" Catalina Curceanu LNF-INF 1 Dicembre 2009

4. Galileo Galilei – padre della scienza moderna • Metodo scientifico nello studio delle leggi della Natura: esperimenti, elaborazione dati, costruzione teorica • applicazione della matematica nello studio dei processi fisici

5. Ipotesi Previsione Osservazione Il metodo scientifico “Eleganza: Descrivere un numero sempre maggiore di fenomeni, usando un numero sempre minore di leggi (o di idee?)”

6. Galileo Galilei – oltre il “senso comune” • Dinamica dei corpi – meccanica – leggi del moto; principio della dinamica • Caduta dei gravi (corpi cadono con la stessa legge indipendentamente del peso) • L’astronomia (2009 – anno internazionale dell’astronomia; 400 anni Galileo – cannochiale) • Ottica, idraulica, acustica, magnetismo, termologia

7. Galileo Galilei – e la letteratura • Letteratura : Calvino defini Galileo «il più grande scrittore italiano di ogni secolo»; • Leopardi«forse il più gran fisico e matematico del mondo» «magnanimità di pensare e di scrivere» , «precisa efficacia e scolpitezza evidente» in ambito linguistico , «il primo riformatore della filosofia e dello spirito umano» ; • Primo Levi: «Galileo era un grandissimo scrittore proprio perché non era scrittore affatto. Era uno che voleva esporre quello che aveva visto»

8. Quest'opera difende insieme i diritti della scienza e della cultura, esige libertà per lo scienziato e per l'uomo di cultura e affronta, oltre a questioni scientifiche, anche problemi di ordine cosmologico e filosofico, portando ovunque il senso nuovo della scienza moderna, il nuovo concetto dell'uomo e la forma nuova nella quale deve delinearsi il rapporto tra l'uomo e la natura." Ludovico Geymonat

10. F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002

11. Fisica Moderna: Due “rivoluzioni scientifiche” stanno alla base della FISICA MODERNA – entrambe occorse nella prima meta’ del 20esimo secolo. Tutto cio’ e’ accaduto quando i fisici hanno provato (e riuscito) di estendere le leggi delle fisica OLTRE l’esperienza di ogni giorno, oltre il senso comune Hanno “partorito”: • La teoria della Relativita’ • La Meccanica Quantistica

12. Relatività La relatività è collegata alla misurazione di eventi: dove e quando essi accadono e quanto distano tra loro nello spazio e nel tempo. I suoi principi vengono applicati nelle trasformazioni di misure quando si passa da un sistema di riferimento ad un altro in moto relativo tra loro (da qui il nome di relatività)

13. Relatività Speciale (1900  1905) Einstein, Lorentz, Poincaré

14. NEWTON I. Il tempo assoluto, vero, matematico, in sé e per sua natura senza relazione ad alcunché di esterno, scorre uniformemente, e con altro nome è chiamato durata; quello relativo, apparente e volgare, è una misura (accurata oppure approssimativa) sensibile ed esterna della durata per mezzo del moto, che comunemente viene impiegata al posto del vero tempo: tali sono l’ora, il giorno, il mese, l’anno. II. Lo spazio assoluto, per sua natura senza relazione ad alcunché di esterno, rimane sempre uguale ed immobile; lo spazio relativo è una dimensione mobile o misura dello spazio assoluto, che i nostri sensi definiscono in relazione alla sua posizione rispetto ai corpi, ed è comunemente preso come lo spazio immobile; cosí la dimensione di uno spazio sotterraneo o aereo o celeste viene determinata dalla sua posizione rispetto alla terra. Lo spazio assoluto e lo spazio relativo sono identici per grandezza e specie, ma non sempre permangono identici quanto al numero. Infatti se la Terra, per esempio, si muove, lo spazio della nostra aria, che relativamente alla Terra rimane sempre identico, sarà ora una parte dello spazio assoluto attraverso cui l’aria passa, ora un’altra parte di esso; e cosí muterà assolutamente in perpetuo.

15. GALILEO enunciò l’equivalenza tra due sistemi di riferimento inerziali in moto uniforme l’uno rispetto all’altro Le leggi che descrivono il moto dei corpi sono le stesse

17. Oggi sappiamo che le trasformazioni di Galileo valgono però solo per valori piccoli della velocità Grandezze che caratterizzano la nostra vita quotidiana (senso comune) Se il valore della velocità si avvicina a quella della luce avvengono degli effetti “strani”

18. Einstein (1905)

19. Einstein (1905) Postulati della Relatività Speciale P1 -leggi della natura sono le stesse in tutti iR.I. preservato dalle eq. di Maxwellse e solo se P2 -velocità della luce è la stessa in tutti iR.I. che spiega il risultato nullo dell’esperimento M& M eq. di Maxwellin tutti i R.I. Etere non esiste

21. Contrazione delle lunghezze e la dilatazione dei tempi • Un osservatore in quiete in un sistema inerziale vede accorciato un oggetto che si trova in quiete rispetto a un altro sistema inerziale in moto rispetto al proprio sistema • Un osservatore in quiete in un sistema inerziale vede dilatarsil’intervallo di tempo durante il quale si verifica un fenomeno in un altro sistema inerziale in moto rispetto al proprio sistema

22. Contrazione delle lunghezze • 10% velocita’ della luce

23. Contrazione delle lunghezze • 86% velocita’ della luce

24. Contrazione delle lunghezze • 99% velocita’ della luce

25. Contrazione delle lunghezze • 99.99% velocita’ della luce

26. Meccanica Quantistica Descrive il comportamento di “oggetti” molto piccoli Principio di indeterminazione di Heisenberg: • Tanto piu’ precisamente conosciamo la posizione di un oggetto, tanto meno precisamente conosciamo il suo impulso Per la descrizione di oggetti come l’atomo, e/o ancora piu’ piccoli (particelle), c’e’ bisogno della meccanica quantistica. Heisenberg nel 1925, all’eta’ di 24 anni

28. Interferenza da due sorgenti

29. Interferenza a singola particella A Sorgente B parete a 2 fenditure schermo

30. Interferenza a singola particella A Probabilità di rivelare una particella PA(x) Sorgente B parete otturatore

31. Interferenza a singola particella A Sorgente Probabilità di rivelare una particella PB(x) B parete otturatore

32. Comportamento “classico” A Sorgente B Probabilità di rivelare una particella P(x) = PA(x) + PB(x) parete

33. Interferenza quantistica Probabilità totale di rivelare una particella P(x) Frange di interferenza A Sorgente B Da quale fenditura passa la particella ? Da entrambe !

34. TELETRASPORTO:REALTA’ O FANTASCIENZA?

35. Cos’è il “teletrasporto”? Definizione “naïve”: scomparsa di un oggetto da una posizione e simultanea ricomparsa del medesimo oggetto in altra posizione dello spazio (trasferimento senza moto intermedio)

36. Marte: ALICE A Luna: BOB 2 fotoni nello stato B

37. “Chi non resta sbalordito dalla meccanica quantistica evidentemente non la capisce” Niels Bohr, 1927

38. L’atomo all’inizio del ‘900 L’atomo di Thompson L’atomo quantistico L’atomo di Rutherford e Bohr Il nucleo oggi La struttura del nucleo

39. 1 1029 1040 1043 Le forzefondamentali 4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !!

40. Il Modello Standard W bosone Z Gravità il fantasma dell’opera bosone u c t g up gluone charm top s g d b down bottom strange fotone n ne n t m m-neutrino t-neutrino e-neutrino t m e tau muone elettrone I II III Bosone di Higgs Fermioni Bosoni Quarks Mediatori di Forze Leptoni Famiglie di materia ?

41. >106 Km Cosmici Primari Neutrini Studio Diretto 300 Km Particlelle Secondarie muoni EAS Studio Indiretto Rivelatori Sotterranei Rivelatori Sottomarini ASTROPARTICELLE 40 Km Atmosfera

42. ADONE a Frascati nel 1969 LEP al CERN di Ginevra 1988 DAFNE ADA a Frascati 1959 LHC al Cern di Ginevra nel 2009 I collisori materia-antimateria

43. abell2218 blu

45. La Storia dell’Universo cosmologia fisica sub-nucleare fisica nucleare astrofisica chimica biologia

46. Enigmi in cosmologia • Non sappiamo… • quali processi hanno preceduto l’Inflazione, e se essi sono descritti da una trattazione unificata della gravità e le altre tre forze conosciute • che cosa ha generato l’inflazione cosmica • che cosa è la materia oscura • cosa sta facendo accelerare l’espansione cosmica

47. Osservare per sapere • Nei prossimi anni, alcuni enigmi potrebbero essere svelati dai prossimi esperimenti, grazie al progresso tecnologico negli ultimi decenni • Osservazioni della radiazione di fondo ad altissima risoluzione, il tentativo di vedervi l’impronta di oscillazioni spaziotemporali impresse al Big Bang • Miliardi di galassie in mappe 3D dell’universo • Esplosioni di supernove e raggi gamma per ricostruire la storia dell’espansione cosmica • ``Cugini” della materia oscura nel Large Hadron Collider • …

48. L’unificazione di tutte le forze? L’unificazione delle forze F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002

49. Questioni Aperte • Le particelle sono veramente puntiformi ? Teoria delle Stringhe ulteriore livello microscopico:particellenon sono puntiformi, mapiccoli(10-33 cm)anelli oscillanti diversi stati di oscillazione della stringaparticelle diverse

50. Fisica LHC (1) • Cos'è la massa? Sappiamo come misurarla, ma da cosa è determinata? • Qual è l'origine della massa? In particolare, esiste il bosono di Higgs?? • Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del plasma di quark e gluonisi verificherà l'origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo? • Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs?