Le frontiere della Fisica

1. Le frontiere della Fisica ovvero Il deserto dei Tartari Sabato, 25 ottobre 2003

2. Enrico Onofri • Marconi: maturità nel 1964 • Laurea in Fisica, U.Parma, 1968 • Princeton U., 1976 • CERN, 1981-1982 • U.Trento, 1986-1989 • U.Parma, 1990- • 70 lavori su riviste internazionali, 2 libri • Dipartimento di Fisica, U.Parma, 905225 • onofri@unipr.it Sabato, 25 ottobre 2003

3. Fisica alla parmigiana (?) • Le radici • La fisica del XX secolo • Le sfide del 2000 • Il dilemma ricerca pura/applicata • Le prospettive per i giovani scienziati Sabato, 25 ottobre 2003

4. Album di famiglia • Johannes Kepler • Galileo Galilei • Isaac Newton, Bernoulli, Huygens, Leibnitz, Laplace, Lagrange • J. Maxwell, M. Faraday, G.Hertz, G.Marconi ... • Albert Einstein • Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg, Born, Dirac, Pauli, Fermi, Landau,Chandrasekhar,Feynman, Gellmann, Wigner, Glashow, Weinberg, Salam, Hawking, … Sabato, 25 ottobre 2003

5. Sabato, 25 ottobre 2003

6. Johannes Kepler • Il sistema copernicano trova il fondamento sperimentale – Kepler dimostra che le orbite dei pianeti sono ellittiche, sfruttando i copiosi dati astronomici di Tycho Brahe Sabato, 25 ottobre 2003

7. Le leggi di Kepler • I pianeti descrivono orbite ellittiche – il Sole si trova ad uno dei fuochi • Legge delle aree (velocità areolare costante Newton) • Il periodo di rivoluzione è funzione dell’asse maggiore dell’ellisse Sabato, 25 ottobre 2003

8. Sabato, 25 ottobre 2003

9. Galileo Galilei • Di Galileo come padre della scienza moderna si è detto tutto – piace osservare come in Galileo convivano l’anima di scienziato moderno (con l’enfasi sul ruolo della Matematica nella “lettura del libro della Natura”), quella di umanista (i suoi scritti sono un modello di stile) e quello di imprenditore illuminato. Sabato, 25 ottobre 2003

10. A Galileo si deve l’intuizione della Relatività del movimento, il fondamento sperimentale delle conoscenze accoppiato alla descrizione matematica • La legge dei gravi • Il Cannocchiale • Il termometro • Il pendolo •  S. Drake, Galileo •  web: http://es.rice.edu/ES/humsoc/Galileo/ Sabato, 25 ottobre 2003

11. Il compasso di Galileo • Un antenato del regolo calcolatore • Uno strumento plurifunzionale • Venduto in centinaia di copie corredato di manuale dell’utente • L’analogo di oggi potrebbe essere il supercalcolatore APE, nato in laboratorio di Fisica e ora diffuso in Europa (Teraflops) Sabato, 25 ottobre 2003

12. La Matematica di Galileo • Geometria Euclidea • Aritmetica Il passo decisivo verso la meccanica moderna è costituito dal calcolo infinitesimale (che ha le sue radici in Archimede) – ma Galileo muore nello stesso anno 1642 in cui nasce Newton – il quale svilupperà il calcolo infinitesimale Sabato, 25 ottobre 2003

13. Newton’s Principia  http://gallica.bnf.fr/ Sabato, 25 ottobre 2003

14. Integrali e legge di Keplero Entrambi questi diagrammi sono alla base di algoritmi di calcolo tuttora utilizzati La “formula dei trapezi” e l’algoritmo “leapfrog” Sabato, 25 ottobre 2003

15. La Meccanica dopo Newton • Le leggi della Meccanica e le nuove tecnich matematiche sviluppate da Newton, Leibnitz, Bernoulli, Huygens, Euler, … cominciano ad essere applicate (edilizia, grandi strutture, idraulica, etc.) • E LO SONO TUTT’OGGI : costituiscono le basi dell’ingegneria, della scienza delle costruzioni Sabato, 25 ottobre 2003

16. La rivoluzione del XX secolo • Due costanti fisiche modificano profondamente il quadro apparentemente consolidato della Fisica dell’800: Sabato, 25 ottobre 2003

17. Entrambe fissano dei limiti • Limite assoluto di velocità • Limite assoluto di precisione per misure contemporanee Sabato, 25 ottobre 2003

18. La Fisica ha inglobato gradualmente questi principi ma il processo è ancora in atto • Non esiste ancora una teoria consistente che incorpori relatività e fisica quantistica includendo tutte le forze conosciute • I tentativi attuali sono rivolti alla formulazione di teorie quantistiche che “vivono” in spazi a più di 4 dimensioni e le cui coordinate (x,y,z,t,…) non necessariamente rispettano le regole dell’aritmetica Sabato, 25 ottobre 2003

19. La matematica della fisica quantistica ha le sue radici nell’800 • Cayley e Hamilton (quaternioni e rotazioni spaziali) • Riscoperta da Pauli e fatta progredire da Dirac Sabato, 25 ottobre 2003

20. Pubblicità La storia del CERN e della Fisica delle particelle nella seconda metà del XX secolo Sabato, 25 ottobre 2003

21. La “vera” storia della scoperta del DNA Sabato, 25 ottobre 2003

22. Sabato, 25 ottobre 2003

23. Simmetrie • Il tema della simmetria è fondamentale nella fisica delle particelle subatomiche Sabato, 25 ottobre 2003

24. The eightfold way In 1961, Murray Gellman found symmetry patterns in baryons and mesons when he plotted strangeness versus charge. a) Eight spin ½ baryons arranged in a hexagonal eightfold pattern b) Nine spin zero mesons arranged in a hexagonal eightfold pattern (the antiparticles are opposite their particles and the three particles (which form their own antiparticles) are at its centre). Sabato, 25 ottobre 2003

25. Le particelle elementari e la nostra ignoranza Higgs Super-particelle Dark matter Struttura in grande dell’Universo Sabato, 25 ottobre 2003

26. In vari casi lo stimolo preveniente dalla teoria fisica (teoria quantistica dei campi, meccanica statistica, sistemi dinamici, …) ha fatto progredire la ricerca matematica. Ad esempio l’Algebra e la teoria dei Gruppi hanno fatto progressi sostanziali di pari passo con lo sviluppo della fisica atomica e nucleare. • Negli ultimi 40 anni un’altra disciplina (Informatica o Computer science) è entrata in gioco con forza. Sabato, 25 ottobre 2003

27. Una troika • Il trinomio matematica-fisica-informatica costituisce attualmente un ambito di ricerca e sviluppo considerato strategico nei paesi avanzati (USA, Japan) – e l’Europa? Von Neumann e Eniac, 1946 Exalibur, 2003, 12GFLops Sabato, 25 ottobre 2003

28. Dove non saremmo mai arrivati senza gli elaboratori veloci • Navigazione (astronautica) • Dinamica delle galassie • Dinamica molecolare • Meteorologia • Cartoni animati • Diagnostica medica (TAC, NMR) Sabato, 25 ottobre 2003

29. Un piccolo esempio • Le equazioni di Newton per il sistema solare Difficoltà insormontabili per più di 2 corpi celesti – solo soluzioni approssimate Oggi solubili su un PC (100 anni in pochi secondi, oppure milioni di anni in poche ore) Sabato, 25 ottobre 2003

30. Relatività Generale Con la teoria di Einstein (1916) i legami tra Fisica e Matematica subiscono un’ulteriore escalation: le leggi della gravità sono pura geometria e viceversa la geometria è vincolata alla presenza di materia Sabato, 25 ottobre 2003

31. La teoria prevede che la gravità si propaghi in modo simile alle onde elettromagnetiche: di questo fatto si hanno solo prove indirette, al momento, ma sono in fase di avanzata realizzazione strumenti di rivelazione che dovrebbero permettere di verificare la previsione (Virgo, Ligo) • Il progetto più “pazzo” in questo campo è rappresentato daLISA Sabato, 25 ottobre 2003

32. (immagine non in scala) Sabato, 25 ottobre 2003

33. Un fisico di Parma … sta lavorando al progetto Michele Vallisneri Applicazioni? Principalmente in campo medico (telechirurgia, chirurgia assistita dal calcolatore, robotica) E diversi gruppi di ricerca (Roma, Trieste, Pisa, Padova, Parma) sono attivi in questo campo di indagine Sabato, 25 ottobre 2003

34. Particelle elementari onde gravitazionali • Perché il Deserto dei Tartari di Buzzati? Sono venti anni che abbiamo individuato gli ultimi Tartari (W,Z). Tanti altri sono preannunciati ma mancano all’appello. HIGGS prima di tutto, ma anche tutte le particelle supersimmetriche, immagine delle particelle note sotto una trasformazione detta “supersimmetria”. • Le onde G sono state previste da 80 anni Sabato, 25 ottobre 2003

35. L’attesa non è tuttavia snervante come nella fortezza descritta da Buzzati • Anche se i Tartari non si faranno vivi, il lavoro non manca e produce risultati comunque utilizzabili per scopi di interesse generale.  fallout delle ricerche di base (superconduttività, diagnostica medica, terapia adronica, sviluppo delle reti di comunicazione, web) Sabato, 25 ottobre 2003

36. Ricerca pura o applicata? • E’ fin troppo ovvio insistere sull’importanza della ricerca applicata (o trasferimento tecnologico). E’ addirittura un atteggiamento un po’ superficiale: se avesse il sopravvento, il progresso delle conoscenze segnerebbe un pericoloso rallentamento. Di questo si vedono già gli effetti negativi (però, grazie Presidente). Sabato, 25 ottobre 2003

37. Vi siete mai chiesti... • Archimede era già in possesso di conoscenze matematiche e tecniche di ingegneria che però sono rimaste in letargo per secoli. Forse che la mentalità del tempo era troppo orientata alle conquiste materiali? C’è voluta la stagione del Rinascimento per rilanciare la ricerca più speculativa (che oggi chiamiamo pura o fondamentale). Sabato, 25 ottobre 2003

38. Cosa si può fare?(perorazione finale) • L’afflusso di giovani alle facoltà scientifche universitarie, seppure aumentato negli ultimi anni, è percentualmente diminuito. Questo è un parametro su cui si fa leva per ridurre ulteriormente le risorse destinate alla ricerca pura. • Se non vogliamo assistere a un declino morale e culturale della nazione europea è necessario invertire questa tendenza. Sabato, 25 ottobre 2003

39. Una carriera nella ricerca pura? • Passiamo 1/3 della vita nel sonno, più della metà del resto sul posto di lavoro, ergo… • Conviene investire in un buon letto e in un lavoro divertente e di soddisfazione • Università • Centri di Ricerca (CNR, INFN, CERN, …) Sabato, 25 ottobre 2003

40. Galileo Newton Pippo Mister X Fermi Bohr e Heisenberg Feynman Heisenberg Curie Kepler Rosalind Franklin Einstein Sabato, 25 ottobre 2003