La nuova fisica

1. La nuova fisica A cura di Paul davies

2. Capitolo 1 La nuova fisica:una sintesi Paul Davies

3. Introduzione • I° rivoluzione: Galileo, Newton • II° rivoluzione: inizio IXX secolo con la teoria della relatività, dei quanti e la scoperta della radioattività • La nuova fisica: copre argomenti come buchi neri, particelle subatomiche, nuovi materiali e le reazioni chimiche La nuova fisica comprende: • Il piccolo • Il grande • Il complesso

4. La nuova fisica: il piccolo La fisica delle particelle subatomiche è • Il campo più spettacolare della nuova fisica • Strumento per la ricerca dei costituenti ultimi della materia • È il banco di prova per la relatività ristretta e per la meccanica quantistica Le particelle vengono raggruppate in due classi: • Adroni= particelle pesanti quali il neutrone, protone ed altri e soggette all’interazione forte • Leptoni= particelle leggere quali l’elettrone il neutrino e altre ed interagiscono tramite la forza forte; i leptoni sono elementari mentre gli adroni sono formati da quark

5. QED, QCD,GUT • QED: applicando la teoria quantistica al campo elettromagnetico nel modo appropriato abbiamo l’elettrodinamica quantistica, una teoria coerente delle interazioni tra elettroni, positroni e fotoni nella quale, l’idea essenziale è che elettroni e positroni interagiscono tramite lo scambio di fotoni Il fotone è visto come una particella messaggera • QCD - cromodinamica quantistica: stabilisce le regole con le quali i quark interagiscono scambiandosi particelle dette gluoni. È molto simile alla QED • GUT: teoria delle grandi unificazioni. Hanno destato molti interessi e offrono alcune verifiche sperimentali: l’esistenza dei monopoli magnetici ed il decadimento del protone. Secondo alcuni scienziati i due fenomeni sono stati già osservati.

6. Il grande • Quando la fisica viene applicata sulle distanze più grandi, allora diventa cosmologia, cioè lo studio della struttura globale e dell’evoluzione dell’universo

7. Capitolo 2 La rinascita della relatività generale Clifford Will

8. Introduzione • 1915 Einstein formula la relatività generale allo scopo di costruire una teoria della gravitazione che incorporasse sia la relatività ristretta (1905), il principio di equivalenza e la fisica nei riferimenti in caduta libera o inerziali • Einstein propose tre verifiche classiche: • precessione del perielio di Mercurio • Deflessione della luce in un campo gravitazionale • Spostamento dello spettro luminoso in un campo gravitazionale che è stato rimpiazzato dal ritardo della luce visto che lo spostamento è una verifica del PPE • 1960-1980 le verifiche della relatività generale vengono effettuate con una certa precisione: 1960 scoperta del quasar , delle pulsar, del sottofondo a microonde

9. La storia dello spazio curvo • Newton aveva in mente un principio molto semplice di equivalenza: la traiettoria di un corpo in caduta libera è indipendente dalla struttura e composizione interna • PEE= principio di equivalenza di Einstein: 1) il principio di equivalenza debole è valido; 2)il risultato di qualunque esperimento locale non gravitazionale è indipendente dalla velocità del sistema di riferimento in caduta libera nel quale l’esperimento avviene (invarianza di Lorenz); 3) il risultato di un qualunque esperimento locale non gravitazionale è indipendente dal tempo e dal luogo dove l’esperimento avviene (invarianza di posizione) • Le equazioni di Maxwel rispettano la PEE

10. La storia dello spazio curvo • Metrica: variabile matematica, ingrediente fondamentale dello spazio curvo; determina le relazioni geometriche tra gli eventi quali la distanza tra due punti in un dato istante, il tempo • La relatività ristretta è descritta in una metrica piatta detta di Minkowski • L’invarianza di Lorentz è verificata dagli esperimenti ad alta energia • Variazione di frequenza di un segnale da un orologio all’altro: Se la distanza h tra emittente e ricevente è piccola: • PPN formalismo parametrizzato post newtoniano: nella relatività generale, quando le velocità sono molto piccole rispetto a c^2, si utilizza la meccanica di Newton

11. La relatività generale messa alla prova • Le verifiche sono tre e sono dette classiche: la deflessione della luce, il ritardo della luce, lo spostamento del perielio di mercurio. La seconda è una conseguenza della prima ma Einstein non l’aveva presa in considerazione; fu IrwinShapiro nel 1964 ad ipotizzarla • La prova della deflessione della luce rese Einstein famoso. Secondo la PPN, la luce passando vicino al sole ad una distanza d viene deviata di un angolo

12. La relatività generale messa alla prova • Con le nuove tecniche di radiointerferometria sono stati raggiunti risultati molto più precisi- la radiointerferometria è una tecnica nella quale si combinano radiotelescopi molto distanti tra loro: determinando le differenze di fase nel segnale ricevuto dai vari telescopi si può misurare la direzione della sorgente delle onde • VBLI=Very long baselineinterferometry • Misura del ritardo di un segnale di andata e ritorno Terra-Marte quando sono in congiunzione superiore. La formula da verificare è:

13. La relatività generale messa alla prova • Le due formule precedenti sono molto simili anche perché i due fenomeni sono correlati tra loro. Dal 1960 in poi le due verifiche sono migliorate anche grazie ai satelliti. • L’avanzamento del perielio di Mercurio è in fase di miglioramento

14. Onde gravitazionali: nuove increspature in un vecchio stagno • L’idea di onde gravitazionali è nata proprio quando è stata formulata la relatività generale • Nel 1916 Einstein era riuscito a dimostrare che le sue equazioni di campo ammettono soluzioni tipo ondulatorio • Un oggetto formato da un’asta e due sfere, posto in rotazione intorno ad un asse perpendicolare generano onde gravitazionali • Nel 1960, Bondi dimostrò che la radiazione gravitazionale è un fenomeno osservabile che sottrae energia, momento angolare e massa ai sistemi che ne emettono

15. Onde gravitazionali • La perdita di energia gravitazionale dovuta alle onde potrebbe essere formulata nel seguente modo: • La conseguenza di tale perdita si manifesta in contrazione dell’orbita • Un’onda elettromagnetica è generata da cariche in movimento; un’onda gravitazionale è generata da masse in movimento

16. Onde gravitazionali • L’onda gravitazionale consiste in un campo oscillante, perpendicolare alla direzione di propagazione • Un’onda elettromagnetica è generata da cariche in movimento mentre, un’onda gravitazionale è generata da stelle che vibrano o che collassano, da un sistema binario o da un buco nero in atto di ingoiare una stella. Più lontani sono i corpi, minore è l’effetto • Nel 1965 Weber aveva messo in atto un esperimento

17. Le stelle di neutroni e i limiti imposti dalla relatività • Gli effetti relativistici delle stelle sono molto piccoli e si misurano con il fattore GM/Rc2 • L’oggetto di tipo stellare per il quale la relatività è importante è la stella di neutroni e il fattore di cui sopra, può arrivare a 0.3 • La stella collassata ha una densità così elevata a causa della fortissima attrazione gravitazionale, che gli elettroni atomici sono schiacciati con i protoni del nucleo formando così neutroni degeneri. • Se le particelle degeneri fanno parte di nane bianche (stelle con massa non superiori a 1,4 la massa del sole), si parla di elettroni; se le particelle degeneri sono neutroni, allora fanno parte di stella a neutroni con massa non superiori a 5.7 la massa solare • Le stelle di neutroni non possono assumere velocità di rotazione infinita, esiste un limite superiore.

18. La nuova fisica dei buchi neri • La prima idea di buco nero risale al diciottesimo secolo e compare negli scritti del reverendo John Michell. • Nel 1939 Oppenheimer e Snyder, studiavano cosa succede ad una stella che ha esaurito il combustibile nucleare necessario per produrre calore e pressione che contrasti la forza di gravità. Secondo questi studi, la stella continua a collassare e, se abbastanza massiva da non potersi fermare ad una nana bianca o ad una stella di neutroni, riduce il suo raggio fino a quello gravitazionale o di Swhwarzschild dato da 2GM/c2.

19. La nuova fisica dei buchi neri • Negli anni ’70 si riaccese l’interesse per la relatività sia per la scoperta dei quasar che per una nuova soluzione esatta delle equazioni di Einstein scoperta da Roy Kerr • La soluzione di Kerr è quella del campo gravitazionale generato da un buco nero rotante, mentre quella di Swarzschild è quella di un campo gravitazionale non rotante • La superficie dei buchi neri fu chiamata orizzonte degli eventi; in esso tutto entra e niente può uscire • Da lontano, il campo gravitazionale di un buco nero è lo stesso di un campo gravitazionale normale

20. La nuova fisica dei buchi neri • Nella gravità newtoniana, se un corpo con momento angolare non nullo, si avvicina ad una stella, il corpo viene deviato; se si avvicina ad un buco nero, la stessa particelle può anche compiere un giro a spirale e allontanarsi o, può essere risucchiato dal corpo massivo. Tutto dipende da quanto è grande il momento angolare del corpo incidente. • L’ergosfera è la regione entro la quale il corpo precipita all’interno del buco nero

21. La nuova fisica dei buchi neri Le leggi della meccanica del buco nero • La legge zero: in condizioni stazionarie o di equilibrio la gravità di superficie di un buco nero k è la stessa in tutti i punti dell’orizzonte • La prima legge: nella trasformazione da uno stato a stato vicino, l’energia del sistema cambia secondo la seguente legge dove A è l’area dell’orizzonte e W è il lavoro fatto per cambiare la velocità di rotazione del buco nero • La seconda legge: in un qualunque processo fisico che si svolga in un sistema isolato, l’area totale di tutti gli orizzonti del sistema non può mai diminuire • La terza legge: è possibile con una successione finita di passi portare la gravità di superficie al valore zero

22. La nuova fisica dei buchi neri • Nel 1974 Hawking applicando la matematica della teoria quantistica dei campi al contesto di uno spazio-tempo dei buchi neri, dimostrò che questi possono evaporare mediante la creazione di coppie particelle-antiparticelle da parte del vuoto vicino all’orizzonte degli eventi. • L’entropia totale della materia e del buco nero non può mai diminuire • L’entropia di un buco nero è data da • Questo processo di evaporazione fa si che il buco nero svanisca del tutto

23. La nuova rispettabilità della cosmologia • Einstein ipotizzò che l’universo potesse essere descritto, in prima approssimazione, con una distribuzione omogenea di materia • Einstein ipotizzava anche che l’universo fosse statico ma, per ottenere soluzioni del genere nelle equazioni relativistiche, dovette aggiungere un nuovo termine detto cosmologico • Nel 1965 Penzias e Wilson della Bell Telephone scoprirono una radiazione di fondo, il residuo dell’emissione elettromagnetica da parte di un buco nero. • Questa fu la prova che l’universo non è statico.

24. Capitolo 3 L’universo inflazionario Alan Guth Paul Steinhart

25. Introduzione • Alcune manchevolezze del modello del Big bang hanno portato allo sviluppo di una nuova teoria sui primissimi istanti dell’universo: la teoria inflazionaria • La teoria inflazionaria è in accordo con quella del big bang per i tempi successivi ai 10-30 secondi. • Il modello del big bang ha le seguenti previsioni verificabili sperimentalmente: • l’universo si espande e le galassie si allontanano l’una dall’altra con velocità proporzionale alla loro distanza • C’è un sottofondo cosmico di microonde • La previsione esatta della sintesi dei nuclei atomici leggeri I problemi del big bang sono la spiegazione dell’uniformità su vasta scala e il calcolo del rapporto tra densità di energia e densità critica

26. Teorie unificate Le interazioni note in natura sono quattro e le elenchiamo partendo dalle più deboli: • Gravitazione • Debole • Elettromagnetiche • Forti Le interazioni deboli agiscono su distanze mille volte più piccole del nucleo atomico