La fisica dal XX al XXI secolo

1. La fisica dal XX al XXI secolo Siamo in procinto di una nuova rivoluzione Scientifica?

2. Letture per il quiz • Le domande sono tratte dal numero 15 di Asimmetrie http://www.asimmetrie.it/index.php/ai-confini-della-realta in particolare dagli articoli: Assenti Giustificati http://www.asimmetrie.it/index.php/assenti-giustificatiFoto d'epoca http://www.asimmetrie.it/index.php/foto-d-epocae Note gravi http://www.asimmetrie.it/index.php/note-gravi Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

3. Isaac Newton La situazione fino ai primi del ‘900 Principio di relatività “galileiana”: “Le leggi fisiche sono le stesse per utti gli osservatori in quiete ed in moto rettilineo uniforme rispetto ad esso” Z Sistemi di riferimento inerziali e come si trasformano Primi tentetivi di capire le trasformazioni di sistemi di riferimento accelerati, come: una giostra o un ascensore in caduta libera X Galileo Galilei Y • La teoria della gravitazione di Newton fu pubblicata nel 1685 nel “PhilosophiaeNaturalis Principia Mathematica” e contiene le pietremiliaridelladinamicaclassica: Legge di Newton Legge della gravitazione di Newton Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

4. S S S N N N S N N S Metà del XIX secolo Leggidell’elettricità e del magnetismo James C. Maxwell Leggidell’elettricità Legge di Coulomb Leggi dell’elettromagnetismo Cariche elettriche in moto “vedono” il campo magnetico Le correntielettricheproducono un campo magnetico Equazionidi Maxwell: Velocitàdella luce Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

5. La situazione fino ai primi del ‘900 • Le equazioni di Maxwell descrivono la propagazione delle onde elettromagnetiche quindi anche della luce. • Queste equazioni prevedono che la velocità della luce sia la stessa in qualunque sistema di riferimento inerziale. • Questo non torna con la relatività Galileiana: Se emetto un raggio di luce dall’astronave, questo viaggia sempre a 300.000 km/s, non 310.000. La velocità non si somma!!! PRIMI INDIZI CHE QUALCOSA NON VA… 10000 Km/s c=300.000 km/s Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

6. La situazione ai primi del ‘900 Meccanica Quantistica Radiazione di corpo nero Lord Kelvin, April 27, 1900 The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds. Teoria della Relatività Esistenza dell’Etere Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

7. Radiazione di corpo nero • Corpo nero: assorbe tutte le lunghezze d’onda della luce ed è in grado di emetterle tutte. • Scaldato ad una certa temperatura emette radiazione elettromagnetica con uno spettro caratteristico, il cui picco è ad una frequenza proporzionale alla temperatura. • Con argomenti di termodinamica classica si può dimostrare che la densità di energia per unità di frequenza emessa è del tipo • Per Rayleigh e Jeans f(hn/KT)=1, ma questo porta a densità (radianze) infinite per frequenze elevate (catastrofe uktravioletta). Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

8. Corpo nero e Planck Catastrofe UV Planck: formula di interpolazione L’energia dei “quanti” di luce è proporzonale alla frequenza. Nel 1907, Einstein mostra che si può ottenere la formula di Planck pensando a oscillatori armonici quantizzati. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

9. Onde o particelle? • Effetto fotoelettrico: luce ultravioletta incidente su un metallo produce l’emissione di elettroni, che possono provocare una corrente elettrica. • Einstein nel 1905 propone la spiegazione: la luce è composta da particelle di energia hn che urtano gli elettroni del metallo ai quali cedono la loro energia. Per questo ha vinto il premio Nobel. • Gli elettroni emessi hanno un’energia E=hn - f dove f è la “funzione di lavoro” cioè l’energia necessaria per vincere l’energia di legame. • Dunque i “fotoni” sono particelle, ma, come sappiamo la luce è composta da onde. C’è un dualismo, la luce si comporta sia come un’onda sia come una particella. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

10. Onde o particelle? • Nel 1923 Louis de Broglie propone , nella sua tesi di dottorato, che lo stesso dualismo onda-particella della luce, si possa estendere alla materia ordinaria. • Per i fotoni: E=hn= hc/l; l’impulso è p=E/c; dunque p=h/l. • Facendo la stessa congettura per la materia, si ottiene che una particella con impulso p avrà una lunghezza d’onda caratteristica: l=h/p=h/mv Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

11. Onde o particelle? Se è una particella Se è un’onda Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

12. Onde o particelle? Esperimento fatto con un elettrone per secondo Ok, è una particella No, allora è un’onda Onde e particelle, allo stesso tempo Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

13. Principio di indeterminazione Se eseguo una misura sulla posizione di una particella con una precisione Dx, allora il suo impulso avrà una indeterminazione Dp inversamente proporzionale. Analogamente, se misuro l’energia precisamente, sarà indeterminato il tempo di misura e viceversa. Effetto tunnel Una particella di energia (quindi impulso) nota, costretta da una parete, ha una probabilità non nulla di essere al di là della parete. Più è spessa la parete, esponenzialmente minore sarà la probabilità. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

14. Meccanica Quantistica • La meccanica con cui si trattano questi strani oggetti che esibiscono il dualismo onda- particella è la meccanica quantistica • L’equazione del moto delle particelle (o dei pacchetti d’onda) è descritta dall’equazione di Schrödinger (1928) • Spiega bene i fenomeni quantistici finché la velocità non diventa confrontabile con quella della luce Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

15. Meccanica Quantistica Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

16. Particelle dallo spazio: i raggi cosmici • Domenico Pacini nel 1912 poté affermare, prima di tutti gli altri, che si doveva tener conto di una radiazione proveniente dall'alto dell'atmosfera, così penetrante da poter giungere a terra dopo aver attraversato tutta l'atmosfera; • Domenico Pacini muore nel 1934, e nel 1936 il premio Nobel per la scoperta dei raggi cosmici fu attribuito a Victor Hess. Solo verso gli anni venti si comincerà a capire che la radiazione penetrante è composta da particelle cariche, elettroni, protoni e altre particelle, all'epoca ancora non identificate Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

17. Alta atmosfera Di cosa sono fatti? Immagine: centrofermi.it Immagine: Wikipedia Livello del mare Studiare i raggi cosmici significa studiare le particelle. Tuttavia, dato che i raggi cosmici arrivano in maniera aleatoria sulla superficie terrestre, non è facile studiarne le proprietà ed è sicuramente più efficace “riprodurre” i raggi cosmici in laboratorio: costruiamo gli acceleratori di particelle e i rivelatori. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

18. Il Neutrino e gli altri • Negli anni ’30 W. Pauli, per spiegare uno sbilanciamento di energia nel decadimento dei nuclei radioattivi, propose l’esistenza di una particella che non interagiva con la strumentazione. Questa particella doveva essere neutra => Neutrino • E. Fermi, prese le mosse da questo per introdurre un meccanismo che spiegasse i decadimenti β con un’interazione a 4 particelle, di cui una fosse il Neutrino. Ipotesi dell’anti-neutrino. • E. Maiorana, studiò a fondo le proprietà di questa particella, e propose un modello in cui i neutrini fossero coincidenti con gli antineutrini (1937) Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

19. Relatività H. Minkowski H. Poincaré A. Einstein Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014 H. A. Lorentz G. F. Fitzgerald

20. 1905: la relatività speciale • La velocità della luce è costante in qualsiasi sistema di riferimento ed è la velocità massima raggiungibile; • trasformazioni di Lorenz • Lo spazio e il tempo sono coordinate equivalenti: spazio-tempo o cronotopo • intervallo ds2=c2dt2-(dx2+dy2+dz2); • La distanza spaziale, ma anche quella temporale dipende dal sistema di riferimento Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

21. Contrazione delle lunghezze e dilatazione dei tempi • Le trasformazoni di Lorenz prendono il posto delle trasformazoni di Galileo quando si impone che la velocità della luce sia costante in ogni sistema di riferimento. • Se si considerano due osservatori: uno fermo e l’altro in moto rispetto al primo con velocità V, il secondo vedrà le lunghezze più piccole rispetto al primo ed il tempo passerà più lentamente. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

22. Equivalenza di massa ed energia 2 E=mc Energia Massa Energia Nucleare Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

23. 1916 – Relatività generale • Per sistemi non inerziali lo spazio-tempo è curvo: accelerazione  forza  curvatura; Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

24. Cosa succede allo spazio in presenza di masse? S’incurva! Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

25. B A è una curva! La massa e l’energia curvano la struttura dello spazio e del tempo Il tragitto più breve tra A e B… Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

26. Lente gravitazionale Reale Osservato Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

27. Immagine ripresa da Hubble Space Telescope Oggetto più vicino alla Terra: una galassia distante 400 milioni di anni luce Un unico oggetto: Quasar distante 8 miliardi di anni luce Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

28. L’anello di Einstein Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

29. EMRI • Extreme Mass Ratio Inspirals • Sonooggetticompatti (Nanebianche - WD, stelledineutroni - NS, o buchineri - BH) chespiraleggianoattorno ad un buconerosupemassiccio • La bandadifrequenzadiquestesorgenti è nellaregionedeimHz (1 periodoogni 1000 secondi) • La massadeglioggettiorbitanti è trascurabile => ottimi per studiareil BH “imperturbato” Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

30. Lo spazio si curva…e il tempo? • Eh, già…il tempo e lo spazio sono la stessa cosa, dunque anche la distanza temporale cambia a seconda del campo gravitazionale presente!! Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

31. 3 secondi avanti rispetto all’orologio a terra… ma dopo 1 milione di anni! 1 km Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

32. Il sistema GPS Global Positioning system Dove finiremmo senza la relatività? 24 Satelliti artificiali a circa 20.000 km dalla superficie terrestre Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

33. Il sistema GPS segnale emesso a t1 2 2 3 3 1 1 4 Distanza=velocità x intervallo di tempo segnale ricevuto a t2 velocità del segnale = c Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

34. Orologio atomico su satellite Sfasamento di 45 x 10-6 secondi al giorno! 20.000 km 1 milionesimo di secondo di differenza tra i due orologi produrrebbe un errore nella posizione di 300 metri. Orologio atomico a terra Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

35. Onde nello spazio-tempo • Variazioni di massa producono increspature nel cronotopo…esattamente come quando si lancia un sasso in acqua. • Ma quanto e come devono variare, le masse per produrre un onda visibile da terra e come si possono osservare queste onde? Variazione del quadrupolo – esclusa simmetria sferica |hik| « 1 Piccola perturbazione 8.27 10-45 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

36. Costanti di accoppiamento Emissione di GW : eventi molto energetici ma quasi nessuna interazione • Collassi di supernova: i neutrini (n)subiscono 103 interazioni prima di lasciare la stella, le Onde Gravitazionali (GW), invece, emergono dal nucleo indisturbate • disaccoppiamento delle GW dopo il Big Bang • GW ~ 10-43 s (T ~ 1019 GeV) • n ~ 1 s (T ~ 1 MeV) • γ ~ 1012 s (T ~ 0.2 eV) Trasporto ideale di informazione, Universo trasparente alle GW fino al Big Bang!! Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

37. Sorgenti astrofisiche di GW • Abbiamo visto che la produzione di GW è caratterizzata dall’essere poco efficiente: solo sorgenti astrofisiche hanno sufficiente energia da produrne di rivelabili. • In base all’andamento nel tempo della radiazione emessa possiamo classificare le sorgenti in tre tipi: • Sorgenti impulsive • Sorgenti quasi periodiche • Sorgenti periodiche Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

38. Evoluzione delle binarie coalescenti Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

39. SgrA* il SMBH al centrodella nostra galassia e orbitedellestelle Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

40. Pulsar =Stelle di neutroni rotanti Segnale piccolo a frequenzaf=2fspin Momento di inerzia Coefficiente di asimmetria Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

41. Fondo stocastico Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

42. Fondo stocastico • Per fondo si intende un segnale che è presente ovunque e in qualsiasi momento. • Stocastico significa che è un rumore casuale. • Il fondo stocastico di GW è costituito da due componenti • La componente cosmologica: è l’echo del Big Bang • La componente astrofisica: è la somma incoerente del segnale di molte stelle che non si riesce a distinguere (come il rumore di una moltitudine di persone che parlano). Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

43. VIRGO • LAPP – Annecy • NIKHEF – Amsterdam • INFN – Firenze-Urbino • INFN – LNF • INFN – Genova • LMA – Lyon • INFN – Napoli • OCA – Nice • LAL – Orsay • APC – Paris • INFN – Padova-Trento • INFN – Perugia • INFN – Pisa • INFN – Roma 1 • INFN – Roma 2 • POLGRAV – Warsaw Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

44. Nascita di una scienza: la cosmologia Materia e radiazione nell’universo Forma dell’universo Però subito, una sorpresa… Possibilità1:Siamo al centro Espansione dell’universo Big Bang Possibilità2:Tutto si allontana da tutto! Hubble (1929) “Tutto si allontana da noi” Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

45. Il principio di tutto • Se tutto si allontana da tutto, andando a ritroso, tutto si concentra in uno spazio piccolissimo (non è così, ma ci aiuta a riflettere…). • Se consideriamo i primissimi istanti dell’universo, per es. a Dt=10-43s, secondo il principio di indeterminazione:DE> h/Dt=10-22(Mev/s)/10-43s=1021 MeV=1019GeV. Questo ci dà solo un’idea di quali fossero le energie in gioco solo per effetto dell’indeterminazione. • Il Big Bang non riesce a spiegare, per esempio, perché zone che adesso sono più distanti di quanto la luce possa aver percorso dall’inizio dell’Universo siano omogenee (problema degli orizzonti) => inflazione= espansione accelerata nei primi istanti. • Se la massa è sufficiente, a causa della gravità, l’espansione si fermerà, o, addirittura si invertirà. Ma apparentemente la massa di tutta la materia visibile non basta a spiegare lo stato attuale: Materia oscura? Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

46. microonde neutrini Onde Gravitazionali Piccola storia dell’Universo Radiazione cosmologica di fondo La radiazione di fondo porta informazioni sulle prime fasi di vita dell’universo. Il fondo gravitazionale risale a una frazione infinitesima di secondo dopo il Big Bang: ci dirà com’era l’universo appena nato. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

47. Teoria quantistica dei campi • Relatività speciale+meccanica quantistica=teoria quantistica dei campi • Esistenza dell’anti-elettrone (P.A.M. Dirac 1933) • Teoria delle interazioni deboli => Enrico Fermi • Elettrodinamica quantistica => Schwinger, Tomonaga, Feynman (~1945) + Dyson • Bosoni vettori e modello a quark/partoni (~1965): Gell Mann, Weinberg • Modello standard delle interazioni elettro-deboli: Glashow, Weinberg, Salam + Higgs…e molti altri… • Rivelazione dei “bosoni vettori” (Nobel Rubbia 1982): conferma del modello elettrodebole. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

48. Elettroni, neutrini e tutta la famiglia • Alla fine degli anni ‘70, lo zoo delle particelle elementari era assai popolato • i Leptoni (le particelle che risentono delle interazioni deboli) sono organizzate in famiglie: doppietti di fratelli (“sapore” leptonico) Carica = 0 Carica = -1 • I Quark, sono i costituenti delle particelle che risentono delle interazioni forti (gli Adroni). • i Quark, come i Leptoni risentono delle interazioni deboli, e interagiscono fra loro mediante le interazionie forti. Sono organizzati in doppietti: Carica = +2/3 Carica = -1/3 • Le interazioni a distanza sono “mediate” da particelle (i bosoni vettori): per le interazioni elettromagnetiche il fotone, per quelle deboli i bosoni carichi W+ e W- e quello neutro Z0, per le interazionei forti i gluoni Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

49. Le masse dei leptoni • Nella teoria le masse dei leptoni e dei quark sono tutte nulle, in pratica non è così. Chi dà la massa ai leptoni? • La massa la possiamo considerare come il rapporto tra la forza applicata e l’accelerazione subita da una particella: m=F/a. • Dunque se c’è un campo con cui interagiscono i leptoni, che fa sì che le particelle rispondano alle forze con una accelerazione non infinita (come fosse un’attrito), anche leptoni senza massa ne acquisirebbero una. • Campo di Higgs => bosone di Higgs (trovato nel 2013). Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

50. Peter Higgs François Englert Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014