LA NUOVA FISICA

1. LA NUOVA FISICA “La fisica, così come la conosciamo, sarà completata in pochi mesi”

2. LA NUOVA FISICA Lo avrebbe detto Lord Kelvin poco prima della scoperta dell’elettrone… In un certo senso Kelvin aveva ragione LA FISICA CLASSICA ERA COMPIUTA UNA NUOVA FISICA STAVA PER NASCERE

3. IL MODELLO CLASSICO La fisica classica descrive il mondo come un insieme di particelle in uno spazio-tempo fissi, interagenti tra di loro per mezzo del campo gravitazionale e di quello elettromagnetico, definiti dalle leggi di Newton e dalle equazioni di Maxwell

4. LA NUOVA FISICA Nuovi esperimenti e nuove ipotesi rivelano, ai primi del ‘900, che la fisica classica è PIENA DI CONTRADDIZIONI

5. LA NUOVA FISICA La soluzione di queste contraddizioni porterà ad una PROFONDA RIVOLUZIONE nel campo della scienza Molti vecchi pregiudizi dovranno essere abbandonati Molte nuove scoperte verranno fatte Molti nuovi problemi, tuttora irrisolti, verranno posti

6. LIMITI DI VELOCITA’ Nella fisica classica non esiste una velocità limite La RELATIVITA’ RISTRETTA fissa la velocità della luce nel vuoto come VELOCITA’ LIMITE C = 299700 Km/s Michelson e Morley dimostrarono sperimentalmente questo principio

7. TEMPO ASSOLUTO Nella fisica classica il tempo è un dato immutabile indipendente da ogni fenomeno fisico (Newton) NELLA FISICA MODERNA NO

8. TEMPO E GRAVITAZIONE Lo scorrere del tempo dipende dalla gravitazione IL TEMPO RALLENTA IN PRESENZA DI UN FORTE CAMPO GRAVITAZIONALE

9. SPAZIO ASSOLUTO Nella fisica classica lo spazio è un dato immutabile indipendente da ogni fenomeno fisico (Newton) e la geometria data a priori è quella euclidea (Kant) NELLA FISICA MODERNA NO

10. SPAZIO E GRAVITAZIONE La gravitazione DEFORMA LO SPAZIO conferendogli una CURVATURA La geometria è determinata dal campo gravitazionale Gauss fu uno dei primi matematici a ipotizzare uno spazio curvo

11. SPAZIO E GRAVITAZIONE Una delle più spettacolari conferme della curvatura dello spazio è l’effetto LENTE GRAVITAZIONALE: la massa di una galassia devia la luce proveniente da un quasar e ne sdoppia l’immagine

12. ENERGIA E MASSA Nella fisica moderna la MASSA è una FORMA DI ENERGIA L’equivalenza è data dalla formula di Einstein

13. ENERGIA E MASSA Le particelle si possono CREARE, DISTRUGGERE, TRASFORMARE LE UNE NELLE ALTRE, basta che sia rispettato il principio di conservazione dell’energia

14. ENERGIA E MASSA In questa immagine la creazione di una coppia elettrone-positrone a partire dall’energia di un fotone

15. CAMPI O PARTICELLE La fisica classica distingue nettamente tra PARTICELLE (la materia) e CAMPI DI FORZA Il ruolo dei campi è quello di MEDIARE le interazioni tra particelle

16. LA MATERIA La dinamica dei corpi materiali è determinata dalla seconda legge di Newton

17. I CAMPI La dinamica dei campi è determinata: Per il campo gravitazionale dalla legge di Newton

18. I CAMPI Per il campo elettromagnetico dalle equazioni di Maxwell

19. LE ONDE Nei campi le perturbazioni si propagano SOTTO FORMA DI ONDE Luce = onda elettromagnetica

20. CAMPI E PARTICELLE Nella fisica moderna la distinzione tra campi e particelle sparisce I CAMPI POSSONO COMPORTARSI COME PARTICELLE LE PARTICELLE POSSONO COMPORTARSI COME CAMPI

21. IL FOTONE In molti fenomeni (spettro atomico, effetto fotoelettrico, effetto Compton) la luce sembra fatta di particelle, dette FOTONI

22. IL FOTONE L’ENERGIA DEL FOTONE dipende dalla FREQUENZA DELL’ONDA secondo la relazione di Planck

23. L’ELETTRONE A loro volta gli elettroni possono comportarsi come onde (Esperienza di Davisson e Germer, effetto tunnel)

24. Effetto tunnel Con l’effetto tunnel una particella può superare un ostacolo che, dal punto di vista classico, la dovrebbe respingere

25. L’ELETTRONE La lunghezza d’onda dell’onda materiale associata all’elettrone dipende dalla massa e dalla velocità secondo la relazione di De Broglie

26. ONDE O PARTICELLE? I corpi microscopici non sono né onde né particelle in senso classico Dipende dall’ESPERIMENTO che si compie quale delle due nature si manifesta (Principio di Complementarietà, Bohr)

27. L’OGGETTIVITA’ CLASSICA In fisica classica si assume come preconcetto che ogni grandezza sia misurabile con infinita precisione NELLA FISICA MODERNA NO

28. IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE La doppia natura di onda e particella pone drastiche limitazioni alla nostra conoscenza (Heisenberg) misure di posizione e velocità misure di tempo ed energia misure di campo elettrico e magnetico Non sono possibili simultaneamente

29. O, PIU’ PRECISAMENTE… …Se Δx è l’imprecisione nella misura della posizione e Δp quella nella misura della quantità di moto, il loro prodotto non può essere inferiore alla costante di Planck

30. INDETERMINAZIONE Quindi: Se si misura con grande esattezza la posizione la velocità sarà soggetta a grande incertezza Se si misura con grande esattezza la velocità la posizione sarà soggetta a grande incertezza

31. ANALOGAMENTE… …Se ΔE è l’imprecisione nella misura dell’energia e Δt quella misura del tempo, il loro prodotto non può essere inferiore alla costante di Planck

32. QUINDI… …per misurare bene l’energia ci vuole molto tempo: una misura istantanea di energia non può che dare risultati molto incerti

33. IL VUOTO NON E’ VUOTO Per effetto di questo principio nel vuoto possono apparire dal nulla PARTICELLE VIRTUALI Basta che spariscano prima che l’indeterminazione sui valori di energia le renda osservabili

34. IL VUOTO NON E’ VUOTO La vita T di una particella di energia E=mc2 è fissata dalla relazione di indeterminazione

35. IL VUOTO NON E’ VUOTO Queste particelle virtuali riempiono il VUOTO QUANTISTICO, che quindi è molto diverso dal vuoto classico Effetti misurabili (Casimir)

36. Effetto Casimir Tra due piastre si esercita un’attrazione dovuta al fatto che all’interno si possono creare solo particelle virtuali con lunghezza d’onda sottomultipla della distanza, mentre fuori non c’è limite: l’interno quindi è “più vuoto” dell’esterno

37. LA CAUSALITA’ Causalità classica: Per ogni EFFETTO c’è un’unica CAUSA Per ogni CAUSA un unico EFFETTO esattamente prevedibile NELLA FISICA MODERNA NO

38. UNA TEORIA PROBABILISTICA Born e Dirac, due dei padri della meccanica quantistica La meccanica quantistica è una teoria PROBABILISTICA

39. UNA TEORIA PROBABILISTICA Un sistema fisico dato in uno stato iniziale So può evolvere negli stati S1, S2, S3… Tutto ciò che possiamo calcolare è la PROBABILITA’ che ciascuno di questi stati si realizzi

40. UNA TEORIA PROBABILISTICA Solo quando si fa un ESPERIMENTO per determinare lo stato una di queste probabilità si realizza, mentre le altre si annullano

41. UNA TEORIA PROBABILISTICA Le probabilità Ψdei vari stati si calcolano a partire da So con una formula detta equazione di Schrödinger L’ equazione di Schrödinger prende il posto della seconda legge di Newton

42. COSA SONO GLI ORBITALI Gli orbitali atomici sono la rappresentazione grafica della probabilità di trovare l’elettrone in un dato punto Orbitale 3d

43. LA QUANTIZZAZIONE Nel modello classico l’energia, la velocità, il momento angolare, insomma le grandezze caratterizzanti di una particella possono assumere qualsiasi valore NELLA FISICA MODERNA NO

44. LA QUANTIZZAZIONE Per l’elettrone di un atomo non solo l’energia è numerata, ma anche: L’orientamento del piano orbitale Il momento angolare orbitale Lo spin Help! Cosa sono questi?

45. LA QUANTIZZAZIONE I numeri che definiscono queste cose sono i noti quattro NUMERI QUANTICI n energia l momento angolare orbitale m orientamento orbita s spin

46. LO SPIN Lo spin di una particella può assumere solo valori che sono multipli interi o seminteri di una unità fondamentale ħ Interi: 1, 2, 3, 4… Seminteri: 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 …

47. LO SPIN La unità base non è altro che la costante di Planck divisa per 2π, ovvero:

48. FERMIONI E BOSONI Le particelle con spin intero si dicono BOSONI Le particelle con spin semintero si dicono FERMIONI

49. FERMIONI E BOSONI I fermioni seguono il PRINCIPIO DI ESCLUSIONE (Pauli): in un sistema di particelle non possono esistere due fermioni con gli stessi numeri quantici Elettroni, protoni e neutroni sono fermioni

50. FERMIONI E BOSONI I bosoni invece NON SEGUONO il principio di esclusione I fotoni sono bosoni PAULI BOSE FERMI