Gli occhi della cultura

1. Claudio Luci Università di Roma ``La Sapienza’’ Dipartimento di Fisicae INFN sezione di Roma 1 Gli occhi della cultura Rapporto tra ricerca scientifica e mondo del libro(come non farsi ingannare dalle illusioni) Sanbenedetto del Tronto – 10/11/2006 Waterfall – Escher -1961

2. Chiave di lettura • Scienza e cultura (mondo del libro): esiste una sola cultura, che esprime la capacità dell’uomo di porsi delle domande su sé stesso e sul mondo in cui vive, e la capacità di stupirsi di fronte alla bellezza del creato. • Cultura=conoscenza. Non ci sono scorciatoie per la conoscenza. Occorre molto lavoro. • La natura è complessa e viene rappresentata da modelli. Solo con gli occhi della cultura possiamo interpretarli. • N.B. Non confondere la scienza con la tecnologia, che è la sua applicazione pratica. • Tutte le cose che dirò le potete trovare sul web

3. Sommario • Le radici del pensiero scientifico • Eratostene ed il raggio della Terra • La Biblioteca di Alessandria • Galileo • Modello e realtà ….. • L’atomo (di cosa sono fatte le cose) • il Big Bang: l’origine dell’Universo • Da Ginevra al Gran Sasso • Il Cern e LHC • Conclusioni

4. Le radici del pensiero scientifico • Talete di Mileto (circa 624 - 547 ac) • Predisse un eclisse; misurò l’altezza delle Piramidi (teorema di Talete); predisse un ottimo raccolto di olive e affittò in anticipo i frantoi facendo un grande affare (Consiglio sul somaro, il sale e le spugne). • "l'acqua è principio di tutto".L'originalità di questa sua tesi (sbagliata) consiste nel tentativo di spiegare i fenomeni osservabili in virtù di un principio naturale (osservabile) e senza ricorrere al soprannaturale e al divino • Molti abitanti di Mileto cominciarono a cercare sempre più spesso la causa di tutte le cose, nei principi materiali e nell'argomentazione razionale piuttosto che negli Dei, nella Magia o nel Mito. A questo tipo di esercizio intellettuale Talete diede il nome di filosofia • Nasce l’atteggiamento scientifico verso la natura, che continuerà in tutta la civiltà greca. Talete può essere considerato come il primo dei filosofi. • N.B. Non c’è ancora distinzione tra filosofia e scienza (Galileo).

5. Democrito di Abdera: 460 – 370 a.c. • Democrito fu allievo di Leucippo, importante filosofo di Mileto • Democrito ritiene che suddividendo la materia in pezzettini sempre più piccoli, prima o poi si deve arrivare ad una particella fondamentale, indistruttibile, che chiamò àtomos (indivisibile, in greco antico). Altrimenti, se il processo di divisione potesse andare avanti all’infinito, le cose si dissolverebbero nel nulla (Aristotele non era d’accordo con questa teoria). • Gli atomi di Democrito sono eterni ed immutabili, esistono in varie forme e sono animati da un continuo movimento nello spazio vuoto: quando si avvicinano si incastrano tra loro e formano i corpi, quando si allontano causano la disgregazione della materia. • Per Democrito tutto l’universo è fatto di due entità opposte: gli atomi e il vuoto • La teoria di Democrito fu ripresa da Epicuro 100 anni dopo, ma l’atomismo cadde in disgrazia perché in disaccordo con Aristotele e, più tardi, con la religione Cristiana.

6. Aristarco di Samo (310 -230 a.c.) • Secondo una testimonianza di Archimede, Aristarco giunge per primo a ipotizzare una teoria eliocentrica nella quale tutti i pianeti girano attorno al Sole, e il Sole gira attorno alla Terra. • Aristarco stima la grandezza del Sole, della Luna e calcola le relative distanze dalla Terra attraverso dei ragionamenti di tipo geometrico (misura di angoli) • Aristarco ottenne che la distanza dal sole era di circa 20 volte maggiore di quella della luna. L'errore è pari a un ordine grandezza, dovuto alle difficoltà di misura della condizione prefissata e agli strumenti in uso, ma il metodo concettuale è giusto. • Si segue un approccio quantitativo, e non solo speculativo, nella descrizione dell’Universo

7. Eratostene di Cirene • Nato nel 276 a.C a Cirene (Libia)Morto nel 194 a.C. ad Alessandria d'Egitto • Matematico, astronomo e poeta greco, è considerato il primo uomo ad aver descritto e applicato una tecnica valida di misurazione delle dimensioni della Terra. • Egli riuscì inoltre a determinare con grande accuratezza l'inclinazione dell'eclittica (e cioè l'inclinazione dell'asse terrestre) e compilò un catalogo stellare. • Come matematico, viene ricordato soprattutto per il famoso Crivello di Eratostene: una tecnica per compilare la tavola dei numeri primi. • Dopo aver compiuto i suoi studi ad Alessandria e ad Atene, nel 255 a.C. Eratostene si stabilì definitivamente inAlessandria e divenne il direttore della famosa biblioteca. Lavorò ad un calendario e cercò di fissare le date dei principali eventi letterari e politici accaduti a partire dall'assedio di Troia. I suoi scritti comprendono poemi ispirati all'Astronomia, come anche lavori di teatro e trattati di etica.

8. il raggio della Terra (Eratostene) • Siene (Assuan) si trova sul tropico del cancro • Alessandria e Siene si trovano quasi sullo stesso meridiano (distano 800 km) • Assunzione: raggi solari paralleli • L’angolo α si ricava dall’altezza della torre e dalla lunghezza dell’ombra. A mezzogiorno del solstizio d’estate il sole illumina a Siene il fondo dei pozzi Distanza Siene-Alessandria ricavata dalla durata del viaggio dei cammelli

9. I filosofi greci (solo alcuni)

10. La scuola di Atene(Raffaello 1509-1510; musei vaticani) N.B. Raffaello era una persona colta (N.B. Oltre ai precedenti, ci sono anche Eraclito, Diogene, Zoroastro, Euclide, Tolomeo)

11. Biblioteca di Alessandria Fu costruita all’inizio del III secolo a.c. da Tolomeo II Filadelfo Fondo delle navi: tutti i libri che si trovavano sulle navi che sostavano nel porto di Alessandria dovevano essere lasciati nella biblioteca in cambio di copie.(aveva più di 490 mila rotoli) capo-bibliotecari: Demetrio di Falero (297-284 a.c.)Zenodoto di Efeso (284-270 a.c.)Callimaco (270-260 a.c.)Apollonio Rodio (260-246 a.c.)Eratostene di Cirene (245-204 a.c.)Aristofane di Bisanzio (204-189 a.c.)Apollonio (189-175 a.c.)Aristarco di Samotracia(175-145a.c.)

12. Nuova biblioteca di Alessandria Il 16 ottobre 2006 è stata inaugurata la nuova Biblioteca d'Alessandria d'Egitto, ricostruita, grazie all'inte-resse dell'Unesco e della comunità internazionale, sugli stessi luoghi dell'antica. Tutti sono invitati a donare un libroObiettivo 800 mila volumi. 600 computer per la consultazione online dei volumi della biblioteca

13. Fine della cultura greca • La distruzione della biblioteca di Alessandria è il simbolo della fine della cultura greca • 47 aCCesare incendia la flotta nemica nel porto di Alessandria. L’incendio si estende ad (una) biblioteca, ma molti libri rimangono • 270 dCLa distruzione della biblioteca è attribuita dalla maggioranza degli storici al tempo del conflitto che oppose l'imperatore Aureliano alla regina Zenobia • 400 dC Altri storici fanno risalire la distruzione ad una data intorno al 400 dC, ma forse si fa confusione tra le due biblioteche. • VII secolo ipotesi: i musulmani completano la distruzione della biblioteca. • Osservazioni: • La civiltà romana produsse tecnologia ma neppure uno scienziato in più di 1000 anni. I Romani erano ingegneri e avvocati ma non scienziati e filosofi. • Il disinteresse per la scienza portò gradualmente all’incapacità di comprendere i pochi testi greci rimasti. La cultura latina è pratica e amministrativa.

14. Medio Evo • Regressione nel Mito e nella Superstizione • Il Soprannaturale di nuovo interferisce col naturale, come prima di Talete • Con l’occupazione araba (anno mille) l’Europa riscopre il pensiero Greco. I mediatori sono gli ebrei che conoscevano sia l’arabo che il latino • Anche le crociate contribuirono al “contagio” intellettuale, soprattutto in Francia. • All’inizio vi è un conflitto filosofia/fede e si hanno le prime eresie, poi la fede cristiana “inglobò” la filosofia greca (vedi San Tommaso d’Acquino). [l’ipse dixit va molto d’accordo con il dogma] Atteggiamenti dogmatici sono incompatibili con il progresso scientifico

15. La Terra nel medio evo Si pensava che la Terra fosse piatta • Dante: Ulisse e le colonne d’Ercole. • Cristoforo Colombo: lo si descrive come uno dei pochi che credeva che la Terra fosse rotonda. Un uomo cerca di vedere cosa c’e’ al di la’ dei confini dell’Universo

16. (Compiti a casa.) • Il Rinascimento (XV secolo). Come fece Firenze a diventare la città di riferimento d’Europa, anche da un punto di vista economico? • La riforma protestante: Lutero e Calvino. • La controriforma. • Regressione, ancora una volta, nella superstizione: caccia alle streghe. • Guicciardini: el particulare mio. (È sempre utile per capire molte cose attuali)

17. Tolomeo e Copernico Per i Greci l’armonia del Cosmo deve comportare moti “armonici” dei corpi celesti, cerchi percorsi con velocità costante Il modello geocentrico di Tolomeo (85-165 dC) è un perfezionamento di quello di Ipparco. Le sue tavole permetteranno di calcolare le posizioni dei pianeti per quattordici secoli ed oltre • Copernico (1473-1543 dc): modello eliocentrico • La Terra è sferica. • La Terra ed i pianeti seguono dei moti circolari uniformi intorno al sole. • La Terra ha un movimento di rotazione attorno a se stessa.

18. Galileo Galilei (1564-1642) • Galileo nasce a Pisa nel 1564. • Studia medicina per volere del padre • Durante gli studi si appassiona alla fisica e alla matematica e abbandona gli studi di medicina. • Nel 1588 ottiene una cattedra di matematica a Pisa. In questo periodo studia la caduta dei corpi. • Nel 1592 ottiene una cattedra di matematica a Padova. Comincia a studiare il moto dei corpi celesti e perfeziona il telescopio, inventato in Olanda. Scopre le lune di Giove. Si avvicina alla teoria di Copernico. • 1632 pubblica: “Dialogo sui due massimi sistemi del mondo” • 1633: viene processato dalla Santa Inquisizione per eresia. Viene imprigionato e minacciato di tortura e viene costretto ad abiurare pubblicamente alle sue teorie. • Muore, malato e ormai cieco, ad Arcetri (Firenze) nel 1642.

19. Galileo: il metodo scientifico • Galileo è storicamente riconosciuto come il fondatore della moderna scienza sperimentale. Ogni fatto, evento o fenomeno naturale va compreso e analizzato in rapporto alla tecnica dell’esperimento. • Il risultato dell’esperimento deve essere riproducibile da chiunque, dovunque ed in qualsiasi momento. Solo in questo modo si può affermare di aver capito il fenomeno. • Dal risultato di un esperimento si possono trarre delle leggi generali (Metodo Induttivo) • Oppure si può fare un modello teorico dal quale trarre delle conseguenze particolari (Metodo Deduttivo) • In ogni caso le ipotesi scientifiche vanno poste al vaglio dell’esperimento, che sarà il solo giudice della validità delle ipotesi. Viene negata l'autorità di qualunque dogma

20. E qui nascono i problemi. Non tutti amano la matematica Galileo: natura e matematica “il Grande libro della Natura è scritto nel linguaggio della matematica, e non possiamo capirla se prima non ne capiamo i simboli“ Galileo Galilei

21. Galileo: sperimentazione e non solo osservazione • Costruzione del cannocchiale per osservare le stelle (scopre i pianeti medicei, satelliti di Giove) • Uso del piano inclinato per studiare meglio la caduta dei gravi • Uso di modelli per rappresentare la realtà. • Copernico riteneva che il suo modello eliocentrico fosse solo un utile strumento di calcolo, mentre per Galileo esso rappresenta la descrizione “vera” dell’Universo (e per questo incorre nelle ire dell’Inquisizione) L’uomo inizia a “manipolare” la natura tramite l’esperimento. È il punto di partenza della rivoluzione industriale.

22. Realtà e Modelli • La realtà è spesso troppo complessa per poter essere studiata in modo semplice, preciso e accurato. • Si ricorre quindi a delle semplificazioni, a volte drastiche, in modo però da mantenere sempre le caratteristiche salienti del fenomeno da studiare • Un modello è una costruzione teorica che cerca di catturare, più o meno fedelmente, uno o più aspetti di un fenomeno • Un modello semplifica, diminuisce la complessità di un fenomeno, aiuta a capire, sebbene vi siano delle approssimazioni (vedi ad esempio Eratostene) Dal Modello si risale alla realtà “vera” attraverso … gli “occhi della cultura” e non più attraverso i nostri cinque sensi.

23. (Compiti a casa) • Perché Galileo non ha seguaci in Italia e le sue orme vengono seguite da Newton in Inghilterra? • Perché la rivoluzione industriale si sviluppa nei paesi calvinisti e non in Italia o in Spagna? • Perché la rivoluzione francese avviene in Francia? • Studiare la definizione del metro fatta a Parigi nel 1792 (riflettere sul processo di misura). • Studiare cosa hanno fatto Faraday e/o Eiffel per convin-cere gli altri che le loro scoperte/invenzioni “funzionavano”. Riflessione: si è più felici oggi che andiamo in auto o ieri che andavamo a piedi?

24. (Aristarco et al.) Come è fatto il cielo? (Democrito et al.) Di cosa sono fatte le cose?

25. L’infinitamente piccolo

26. Modello di Thomson dell’atomo. Un panettone di carica positiva dove gli elettroni sono come “l’uva passa”. Il modello è corretto? Soltanto la verifica sperimentale può dirlo! Esempio di modello: l’atomo A fine 800 si pensava che gli atomi fossero indivisibili. L’atomo più leggero è l’atomo di idrogeno. Nel 1897, studiando i raggi catodici, J.J. Thomson scoprì che erano costituiti da una particella di carica negativa di massa circa 2000 volte inferiore alla massa dell’atomo di idrogeno: l’elettrone. La materia è neutra. Da dove viene l’elettrone? L’elettrone deve essere contenuto all’interno dell’atomo. Ma allora nell’atomo devono esistere anche delle cariche positive in modo che l’atomo nel suo complesso sia neutro. L’atomo è stato diviso!

27. Problema: come facciamo a vedere gli atomi? • Gli atomi sono troppo piccoli per essere visti con gli occhi. • Si “bombardano” con delle particelle più piccole e si osserva come “rimbalzano” quando colpiscono l’atomo.

28. microscopio una volta su 20000 le αavevano un angolo di diffusione > di 90º Lamina d’oro Sorgente di α Esperimento di Rutherford (1911) Rutherford, Geiger e Mardsen bombardarono con particelle α (nuclei di elio) una sottile lamina d’oro ed osservarono le particelle α deflesse Con l’atomo di Thomson questo non doveva accadere!

29. -10 Dimensioni dell’atomo ~ 10 m -14 Dimensioni del nucleo ~ 10 m elettrone nucleo Gli atomi si distinguono tra loro dal numero di elettroni che possiedono Problema: l’atomo di Rutherford spiega la diffusione delle particelle α, però è instabile. Non può esistere. Soluzione: meccanica quantistica (1927). L’atomo di Rutherford Tutta la massa dell’atomo è concentrata nel nucleo con gli elettroni che ruotano intorno ad esso legati dalla forza elettromagnetica. Il nucleo è costituito da protoni e neutroni. Essi sono tenuti insieme dalla forza nucleare forte.[Protoni e neutroni sono formati da quark (scoperti negli anni ’60).] La materia è composta da elettroni, protoni e neutroni

30. L’infinitamente grande

31. 15 miliardi di anni Nel 1927 Hubble scoprì che tutte le galassie si stanno allontanando le une dalle altre. La velocità aumenta con la distanza. BIG BANG Non esiste il centro dell'Universo L’abate belga Lemaître, ed in maniera indipendente il russo A.Friedmann, trovò una soluzione delle equazioni di Einstein della relatività generale che prevedono un universo in espansione. Man mano che si espande l’universo di raffredda 3 Kelvin

32. Per capire la bontà del modello del Big Bang ed i suoi parametri, si cerca di riprodurre in laboratorio (con gli acceleratori di particelle) delle condizioni di energia (temperatura) sempre più vicine all’istante iniziale. All’istante iniziale dovevano esserci lo stesso numero di particelle e antiparticelle Si è poi creata un’asimmetria tra materia e antimateria che ha portato alla scomparsa (?) dell’antimateria.

33. Si forma l’elio 100 secondi Adroni LHC 100 GeV Quark liberi

34. Radiazione cosmica di fondo N.B.Tutti gli altri elementi chimici si sono formati nella combustione delle stelle e nelle supernovae Con i telescopi si può arrivare a vedere l’universo solo fino a 300 mila anni dopo il Big Bang 300 mila anni Solo idrogeno e elio

35. Foto dell’Universo bambino Nel 1964 Pentzias e Wilson (premio Nobel) rivelarono la radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBR) che ha origine dal Big Bang. Si tratta di uno spettro di corpo nero a T=2.73 K. Nel 1992 il Satellite COBE trovò un’anisotropia della radiazione di fondo (premio Nobel 2006 a Mather e Smoot). I punti rossi sono più caldi ed i blu più freddi. Questo aiuta a capire dove si sono formate le prime stelle. WMAP 2003

36. il Modello Standard (Visto!)

37. I raggi cosmici Furono scoperti da V.Hesse nel 1912. Sono costituiti da 86% protoni, 12% α (nuclei di elio) ed il restante 2% da altri nuclei. Scoperta del positrone (1932)Scoperta del muoneScoperta delle particelle “strane” Studiare i raggi cosmici era difficile: esperimenti in alta quota, flusso ed energia non controllati. Si volle riprodurre allora l’interazione primaria in laboratorio accelerando protoni (o elettroni) e facendoli collidere con dei bersagli fissi. Neutrini: attraversano la Terra senza nessun problema

38. 3 Sale: 100m x 20mx 20m LNGS (Gran Sasso) Il più grande laboratorio del mondo dedicato all’astrofisica delle particelle elementari 1400 m di copertura di rocciaattenuazione dei µ cosmici = 10–6 (1 /m2 h)superficie sotterranea: 18 000 m2strutture di supporto in superficiefacilità di accesso Aristotele (o Plinio): l’uomo è tanto pazzo da andare sottoterra per studiare le stelle La roccia assorbe le particelle cariche e lascia passare solo i neutrini (o particelle con le stesse proprietà: wimp). I neutrini danno informazioni complementari ai fotoni nell’osservazione delle stelle (provengono dal centro e non dalla superficie). 1979: presentazione del Progetto al Senato 1982: inizio scavi 1987: inizio attività 1989: primo esperimento: MACRO

39. …anche i giornali ne parlano … 730 km 11-9-2006 Oscillazione dei neutrini Tre tipi di neutrini a massa nulla. Se la massa è diversa da zero oscillano tra un tipo e l’altro.

40. Nel dopoguerra l’Europa era in rovina. I fisici erano stati dispersi. Le conoscenze scientifiche e le capacità tecniche erano passate negli USA. Nel dicembre 1949, ad una conferenza culturale dell’ONU, Louis de Broglie, raccomandò un laboratorio di ricerca internazionale. Nel 1950 L’UNESCO approva una risoluzione di I.Rabi e nel 1952, 11 paesi europei partecipano al CERN (Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare). P.Auger e E.Amaldi sono i padri spirituali del CERN. IL CERN Come sito del laboratorio fu scelto Meyrin, un paese vicino Ginevra Il 29 settembre 1954 nasce l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare (CERN)

41. Gli stati membri del CERN oggi Tutti i risultati delle ricerche svolte al CERN sono pubblicate. Vi è il libero scambio di informazioni. Si svolge soltanto ricerca di base, e non c’è nessuna ricerca militare o industriale I paese membri contri-buiscono in base al PIL Il CERN è “governato” dal Council, composto da due rappresentanti per ogni paese membro.

42. Il più grande laboratorio del mondo

43. www.cern.ch Prima pagina del sito Web del CERN per il pubblico

44. CERN Meyrin: vista aerea

45. Lake of Geneva Opal Jura Aleph aereoporto 9 km SPS Delphi LEP L3 CERN Francia Svizzera LEP/LHC: vista aerea

46. Nel dicembre 1994 il CERN approva ufficialmente la costruzione di LHC. (Large Hadron Collider). Si tratta di un collisore protone-protone con magneti superconduttori di 8 T, da istallare nel tunnel del LEP. • L’energia del centro di massa sarà di 14 TeV, 7 volte maggiore del Tevatron (il collisore protone-antiprotone attualmente in funzione a FNAL). I fasci si incroceranno con una frequenza di 40 MHz (ogni 25 ns). • LHC è una sfida tecnologica a tutti i livelli, pari al progetto Manhattan o allo sbarco sulla Luna, ma con mezzi e organizzazione completamente diversi. • Sul collisore vi sono due esperimenti principali, Atlas e CMS (più LHCb e Alice), anch’essi spinti al limite della tecnologia. LHC • LHC dovrebbe entrare in funzione a fine 2007. LHC darà sicuramente delle risposte importanti alle nostre domande

47. I dipoli di LHC 1233 dipoli principali 14.3 m di lunghezza ognuno 8.33 Tesla (max nel ferro 2 T) 11.7 kA (bobina superconduttrice) Le bobine superconduttrici sono raffreddate a 1.9 K (la radiazione di fondo cosmica è a 2.7 K). LHC sarà il punto più freddo dell’universo.

48. Dipoli di LHC nel tunnel

49. 25 m 46 m ATLAS Precisione meccanica nella costruzione e allineamento delle camere a muoni: 20 μm! In questo momento stiamo assemblando l’esperimento dentro la Caverna. Dobbiamo finire entro luglio 2007. Per la costruzione di ATLAS partecipano circa 1800 fisici di 170 istituti

50. Conclusioni • A mio avviso non esistono due culture, umanistica e scientifica, ma ne esiste solo una: LA CULTURA. • Qualunque cosa si faccia nella vita è opportuno avere una solida base d’appoggio: la cultura. Secondo me questo è molto più importante che non lo specializzarsi da subito in qualcosa di molto particolare (ad esempio il computer alle scuole elementari o lo studio della cartografia alle medie) • La cultura è libertà: la libertà di poter pensare con la propria testa. La libertà si conquista con molto impegno e lavoro. • I libri custodiscono la nostra eredità culturale, e non a caso qualunque “dittatura” inizia bruciando libri (o vietandone la lettura). • È incredibile quanti di noi vivono in un’epoca pregalileiana, prearistotelica, pre-tutto. Non si spiega altrimenti il successo di maghi e affini, oroscopi e talismani. • La scienza è una meravigliosa avventura culturale.