Questioni di fisica contemporanea

1. Questioni difisica contemporanea Liberetà - 8 febbraio 2007 – II lezione luce, tempo e dimensioni

2. C'ERANO UNA VOLTA LE 4 FORZE

3. ma ora si racconta che LA SUPERGRAVITÀ . . .

4. INDICE PRIMA LEZIONE • Poesia maccheronica di introduzione • Le "4 forze" fino al Modello Standard • L‘Effetto Tunnel fino al Principio di Indeterminazione • Storia del concetto di forza • L'eliminazione della forza di gravità

5. La classica mela chiede spiegazioni … Disse una volta la mela al quanto: “raccontami, da capo, una storia, come sai far tu solo, ogni tanto! Che sia evidente per cortesia, com’ è la forza di gravità soltanto!” fisica ingenua - intuitiva fisica sperimentale le 4 forze

6. sempre più turbata … e confusa “Ma me la dissero da poco soltanto una vicenda che è curiosa alquanto” Dopo un istante di vera magia: “Dì, è vero? Sai di stregoneria?!?” oggetti classici e particelle quantistiche L’EFFETTO TUNNEL

7. DALLA FORZA DI GRAVITÀ ALLA GEODETICA C’era una volta un’illusione forza di gravità era il suo nome ma per Einstein è solo falsità sulla geodetica scivola la Realtà il principio di equivalenza elimina la forza di gravità le geodetiche I

8. UNA FOLLA DI PARTICELLE QUANTI MEDIATORI = PARTICELLE FORZA e se i nostri padri fossero ora finalmente contenti, noi potremmo moltiplicarci senza troppi tormenti, crearci annichilircie mediare la forza tra noi quanti, ma la fantasia dei padri non ha nulla da invidiarci, e le loro storie riescono a confonderci e incantarci, e purtroppo sono in grado sempre di influenzarci ruolo debole della forza teoria quantistica del campo I

9. LA TEORIA DEL CAMPO UNIFICATO Il Gravitone è parente del Fotone se aumentiamo di una dimensione, e di Einstein IL SOGNO non morirà di un campo unificato per la realtà, ma la forza per sempre la fisica lascerà teoria di campo unificata e fine della forza Gravitone e Fotone I

10. LE SUPERSTRINGHE RISOLVEREBBERO IL PROBLEMA DELLA GRAVITÀ E quello che tu mela ancora non sai è che i nostri padri sono in seri guai, e se il quanto Gravitone non troveranno e le Superstringhe non funzioneranno qualcosa d’altro pure si inventeranno o tutta da capo la Fisica scriveranno. Ora su vieni con me e se tu retta mi darai quanto diversa sei da noi forse capirai. Supergravità - teoria M

11. LE TEORIE TRA FANTASIA E REALTÀ Ma sappi comunque, cara mela, che c’è qualcosa che in comune abbiamo: sia classica, relativistica o quantistica la storia che utilizziamo, sembra starci la realtà, e di buon grado, al gioco della sua creatura uomo. Benché tanto diverse e tanto lontane, dalle stelle sulla terra finoall’atòmo, ne ha create di teorie l’ essere umano, ma che sia proprio così non lo sappiamo. Newton – Einstein - Bohr e altri I torna indietro

12. L'EFFETTO TUNNEL Io ho invece qualche probabilità, anche se piccola, di svignarmela, cara amica! OPS!?! La porta dell’ascensore si è bloccata! Siamo imprigionati!!! Caro quanto, CHE ANGOSCIA!!! EEEHHH??? Hai visto che forte? Mi dispiace per te, ciao ciao. I torna indietro

13. Secondo la fisica classica Non ci riesco proprio ad uscire Se qualcheSANTOnon mi aiuta, non potrò mai uscire da qua. Non ho abbastanza energia per superare la barriera BUM! Se la velocità, e quindi l’energia di movimento o cinetica, non è sufficiente a raggiungere almeno il bordo, la pallina non potrà uscire dalla buca (di potenziale). SANTO torna indietro

14. Secondo la fisica quantistica Esiste una probabilità non nulla che una particella atomica confinata in una barriera riesca, come una pallina che attraversi le pareti di una tazzina (vedi diapositiva successiva) a fuoriuscire dalla barriera. Esiste una probabilità non nulla anche se la sua energia è minore del valore minimo previsto dalla fisica classica per l’uscita dalla buca. Sorprendentemente (per il senso comune) la particella si può trovare al di là della barriera, anche se possono passare migliaia, milioni di anni prima che l’evento si verifichi. torna indietro

15. LE ONDE DI PROBABILITÀ E L’EFFETTO TUNNEL la particella imprigionata nella tazzina passa attraverso la parete torna indietro

16. Passa attraversoun tunnel Ancora sull’ effetto tunnel Secondo la Meccanica Classica la pallina, partendo ferma dalla vetta della collina, non riuscirà mai a superare la vetta della montagna. Secondo la Meccanica Quantistica invece esiste una probabilità non nulla che la pallina superi la montagna Non sappiamo se una pallina particolare passa o no, possiamo solo sapere la probabilità che ha di attraversare la barriera, PERÒ se abbiamo tante palline, supponiamo che ognuna abbia un nome, possiamo prevedere la frazione di quelle che passano, ma non sappiamo che nome hanno quelle che sono passate. Non ha importanza però sapere quali, ci basta sapere quante attraversano il tunnel, quante superano la barriera di energia. torna indietro

17. COME LA LUCE L’EFFETTO TUNNEL E LA DUALITÀ ONDA-PARTICELLA Per la luce è ben conosciuto l’effetto che una struttura opaca diventa parzialmente trasparente quando è abbastanza sottile. Con lo stesso principio una particella si può trovare dall’altra parte di una barriera, che per la sua altezza (in termini di energia) non potrebbe essere superata. I

18. Inoltre possiamo dire che non ci meravigliamo se luce e onde elettromagnetiche … attraversano corpi … solidi, se osserviamo che si comportano in modo diverso da una pioggia di corpuscoli classici. Lo troviamo del tutto normale. Così l’effetto tunnel è normale nel mondo delle particelle, perché i quanti sono anche onde … di probabilità. Nel mondo quantistico è normale che anche gli elettroni, considerati nella fisica classica semplici corpuscoli, possano avere proprietà tipiche delle onde, precisamente delle onde di probabilità. Un elettrone infatti non è semplicemente una massa puntiforme: esso ha proprietà ondulatorie che si estendono al suo esterno come onde in uno stagno. Tali onde come quelle della luce, possono sentire l’ambiente intorno all’elettrone, permettendogli di passare come in un tunnel, attraverso una barriera, verso una regione posta dall’altra parte della barriera all’interno della quale può propagarsi.

19. ONDA o PARTICELLA? Nella favola IL PIPISTRELLO E LE DUE DONNOLE, La Fontaine racconta la storia di un pipistrello che ha la sfortuna di cadere nella tana di una donnola. Questa che non ha simpatia per i topi minaccia di mangiarselo. Per scongiurare questo pericolo, il pipistrello spiega di non essere un topo, come dimostrano le sue ali proprie degli uccelli. Convinta da questo ragionamento, la donnola decide di lasciarlo andare via sano e salvo. Due giorni dopo il pipistrello cade nella tana di un’altra donnola, la quale ha invece in antipatia gli uccelli. Di nuovo in procinto di essere divorato, il pipistrello si affanna a dimostrare che ciò che caratterizza gli uccelli non sono le ali bensì le piume. Non avendo piume è chiaro che non è un uccello, bensì un topo. Adattando la sua immagine alle circostanze, il pipistrello l’ha scampata per due volte … In un certo senso, le particelle quantiche hanno un’ambiguità simile a quella dei pipistrelli di La Fontaine. Il loro aspetto dipende dal particolare contesto in cui vengono osservate.

20. L’EFFETTO TUNNEL E IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (PI) La quantità di energia che una particella possiede determina anche quello che una particella può fare. L’energia si presenta in molte forme. Può apparire come l’energia della massa a riposo di una particella, come energia cinetica del moto di un qualunque oggetto e come energia potenziale, ad esempio gravitazionale, di un oggetto, energia che diminuisce quando l’oggetto cade (trasformandosi in energia cinetica). I

21. L’energia nel mondo dei quanti è un po’ come il denaro nel nostro mondo. Supponiamo che un cassiere di banca, secondo noi alquanto disonesto, prelevi di nascosto dalla cassa una certa quantità di denaro e la utilizzi temporaneamente a proprio vantaggio, per poi restituirla, subito dopo, prima che qualche funzionario possa verificarne la mancanza. Nel mondo dei quanti il principio di indeterminazione permette alla particella di cavarsela in ogni situazione, considerata delicata e difficile, purché faccia quello che deve fare in un tempo sufficientemente piccolo. Se un fenomeno avviene in un tempo molto breve, quindi t è molto piccolo, l’energia E risulta indeterminata e così può fluttuare a tal punto da raggiungere un valore istantaneo abbastanza alto da permettere alla particella di uscire dalla buca, di oltrepassare quindi la barriera di energia.

22. Se un processo è particolarmente veloce, può, nei suoi stadi intermedi, non obbedire al principio di conservazione dell’energia. L’energia può quindi, per un tempo brevissimo, sorgere dal nulla. Può essere in qualche modo creata. Però entro quel tempo brevissimo deve scomparire nuovamente nel nulla. I

23. L’EFFETTO TUNNELha trovato numerose applicazioni • nell’ingegneria elettronica • viene impiegato in molti apparecchi di uso pratico, anche un comune orologio al quarzo può includere componenti il cui funzionamento si basa sull’effetto tunnel MICROSCOPIO ELETTRONICO MICROSCOPIO A EFFETTO TUNNEL torna indietro

24. Ahi, ma guarda questi!!! Perché non si fanno i fatti loro?!? L’OSSERVATORE in Meccanica Quantistica La fisica si occupa di ciò che può essere osservato IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE Questi fotoni mi hanno messo un’agitazione! Per osservare qualcosa dobbiamo farlo interagire con uno strumento di misura.. I torna indietro Ad esempio illuminiamo un elettrone per osservarlo.Se colpiamo una boccia con un’altra boccia perturbiamo il suo stato. Analogamente i fotoni, colpendo l’elettrone, perturbano il suo stato, e quindi non possiao più conoscere la Sua effettiva velocità. Se invece non lo illumino sufficientemente non sono in grado di conoscere la sua posizione. Posso però conoscere la sua effettiva velocità. In conclusione: o conosco la sua posizione o la sua velocità.

25. gravitazionale elettromagnetica nucleare debole nucleare forte Le 4 Forze che "reggono" l'universo Tutti (o quasi …) i fenomeni naturali si spiegano mediante l’azione delle seguenti forze un’idea antropomorfica, umanizzata, di forza “Sono quasi stufa di ombre” disse la signora Shalott Alfred Lord Tennyson I

26. SEMBRANO MOLTE MA … A prima vista le forze sembrano essere molte e assai diverse tra loro (forza peso, forza elettrica, forza magnetica, forze muscolari, forze di attrito, forze elastiche, resistenza dell’aria, forze intermolecolari …) ma non è così. Negli ultimi tre secoli i fisici si sono accorti che per spiegare ogni interazione tra corpi, ogni struttura che si possa osservare o creare nell’universo, bastano quattro forze.

27. gravitazionale elettromagnetica • La forza gravitazionale è comune a tutta la materia: tutti i corpi materiali si attraggono reciprocamente (non è mai repulsiva) • La forza elettromagnetica è prodotta dalle cariche elettriche: essa è sia attrattiva che repulsiva

28. nucleare debole nucleare forte • La forza nucleare debole agisce all'interno dei nuclei atomici: essa è responsabile della radioattività • La forza nucleare forte agisce all'interno dei nuclei atomici: essa tiene assieme protoni e neutroni

29. Gli effetti della forza di gravità (ipotetico mediatore di forza il gravitone) sono trascurabili nel mondo microscopico, nel mondo delle particelle, nel quale invece prevalgono altre forze di intensità decisamente superiore, come ad esempio la forza elettromagnetica che è miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più grande della forza di gravità; erano noti fin dall’antichità fenomeni elettrici e magnetici (mediatore di forza il fotone).

30. Per i corpi di dimensioni astronomiche la forza preponderante è quella di gravità, che è solo attrattiva, mentre l'altra forza a raggio d'azione (range) infinito, è la forza elettromagnetica, che è repulsiva per cariche dello stesso segno e attrattiva per cariche di segno opposto e in grandi sistemi si media a zero. Se due persone avessero lo 0.01 delle cariche elettriche che le compongono non neutralizzate da altrettante cariche di segno opposto si attirerebbero o respingerebbero con una tale forza da poter sollevare una massa pari a quella del nostro pianeta; il fatto che questo non succeda neanche in piccola parte dà un'idea di quanto (per fortuna) è precisa la neutralizzazione delle cariche elettriche. (massa della Terra MT=5,976 1024 kg)

31. e poi ci sono le due forze, ipotizzate intorno agli anni 1921- 1933 (Fermi e altri), a raggio d’azione corto (oltre una distanza dell'ordine di 10-15 metri non si fanno più sentire): • nucleare forte è indipendente dalla carica dei nucleoni (protoni e neutroni), quindi agisce nello stesso modo per i protoni così come per i neutroni (mediatori di forza i gluoni); • nucleare debole si chiama debole perché è circa 109 volte, migliaia di migliaia di migliaia di volte, minore della forza nucleare forte (è mediata dai bosoni W e Z). È responsabile di certi decadimenti nucleari come il decadimento beta che trasforma un neutrone in protone piu’ elettrone, piu’ neutrino

32. 1967 - Weinberg e Salam propongono separatamente una teoria che unifica elettromagnetismo e interazione debole. 1972 - Formulazione di una teoria delle interazioni forti, suggerita da Fritzsch e Gell-Mann In questi anni avviene l’elaborazione del Modello Standard.

33. Così è fatto il mondo….. Ora te lo spiego. Ci sono quattro interazioni fondamentali…. Papà, come è fatto il mondo? E le quattro forze tengono insieme i mattoni elementari che costituiscono la materia….

34. Ma ci vuole una teoria…. Papà, esiste una teoria che descrive queste forze? La teoria della forza gravitazionale è la relatività generale di Einstein. Esiste dal 1916. La teoria delle altre tre forze è il Modello Standard….. Ed il Modello Standard è una teoria creata negli anni 1967-1975 e sperimentalmente verificata solo dal 1983

35. La gravità di Einstein spiega la legge di Newton, il moto dei pianeti, la struttura dell’Universo a grande scala Il Modello Standard contiene i mattoni fondamentali che costituiscono la materia Oggi abbiamo una buona teoriadelle interazioni fondamentali….. Il Modello Standard Descrive le interazioni elettrodeboli e spiega la struttura dell’atomo e del nucleo atomico.

36. Il Modello Standard è bello ma… • Non può essere la Teoria Finale. • Perché? • Perché non spiega le masse dei quark e dei leptoni • Perché… • Soprattutto perché non unifica la gravità con il resto La strada verso la teoria finale di ogni cosa

37. A questo proposito una breve parentesi storica L'idea di unificare le forze nasce da molto lontano. Descrivere le diverse interazioni esistenti in natura in modo unificato è un fatto ricorrente nella fisica teorica. All’inizio del Novecento è nata l'unificazione tra la Relatività Ristretta e l‘Elettromagnetismo. Parallelamente, ai primi del Novecento, grazie ad Einstein, la Gravità è stata unificata con la Relatività Ristretta, dando luogo alla Relatività Generale.

38. Negli anni quaranta, dopo l'avvento della meccanica quantistica, è nata la QED (Quantum Electro Dynamics), l'elettrodinamica quantistica, che ha unificato la relatività ristretta e l'elettromagnetismo con, appunto, la meccanica quantistica. Negli anni Settanta infine il Modello Standard ha incluso anche le interazioni deboli e successivamente quelle forti, dando vita a un modello quantisticamente consistente (e dal punto di vista sperimentale ottimamente testato) di tre delle quattro interazioni: elettromagnetica, debole e forte. I

39. La forza secondo Aristotele Filosofo greco (384 - 322 a. C.) In Aristotele la forza ha il chiaro senso di causa. Nella sua concezione, quella della fisica antica, ogni moto ha una causa; per ogni corpo mosso, c'è un primo motore. Questa causa può essere dovuta alla natura del corpo per cui il moto è allora naturale; oppure esterna, che però è sempre forza a contatto come una spinta o una trazione. I

40. La forza secondo Cartesio Scienziato e filosofo francese (1596 – 1650) Storia del concetto di forza (p. 117) In Cartesio la forza non c'è perché egli vuole servirsi unicamente della matematica. “Io non accetto – scriveva nei Principia Philosophiae – né desidero che si abbiano in fisica principi diversi da quelli che si hanno in geometria o nella matematica astratta, …” Il programma di Descartes era la geometrizzazione della fisica ancor prima che nascesse la meccanica classica.

41. La forza secondo Galilei Scienziato e filosofo italiano (1564 – 1642) Storia del concetto di forza (p. 107) In Galilei la forza non c'è; perché lo sconfinare di questo concetto nella metafisica delle cause l'avrebbe trascinato sul terreno di Aristotele, facendogli abbandonare l’ evidenza sperimentale. Perciò Galilei giunge a parlare di "fantasie" a proposito della ipotesi che ci siano delle forze. Galileo studiò gli aspetti cinematici del moto occupandosi soprattutto del moto prodotto da una forza costante, pur senza penetrare nella natura della forza stessa.

42. “Non mi par tempo opportuno d’entrare al presente nell’investigazione della causa dell’accelerazione del moto naturale, intorno alla quale da varii filosofi varie sentenzie sono state prodotte … le quali fantasie, con altre appresso, converrebbe andare esaminando e con poco guadagno risolvendo …” Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze

43. La forza secondo Newton Scienziato inglese (1642 - 1727) In Newton la forza è sancita come fondante la meccanica e più in generale la fisica tutta (anche l'ottica era meccanica, perché per Newton riguardava le traiettorie di corpuscoli materiali). Il suo secondo principio stabilisce una relazione tra accelerazione, massa e forza. Non ha importanza per lui che i concetti di forza e di massa siano mal definiti (la massa) o affatto definiti (la forza);

44. Anche per Newton forza-causa L'enunciato del secondo principio addirittura parla non di forza, ma di impulso o spinta (in quanto questo concetto è uguagliato alla semplice variazione della quantità di moto, non alla sua derivata (variazione nel tempo e cioè rapidità di variazione della quantità di moto); perciò corrisponde al suo significato antropomorfo di forza-spinta. È chiaro che Newton è tornato al concetto di forza-causa, cioè è sconfinato nella metafisica, così come d'altronde fa manifestamente con i concetti di spazio assoluto e tempo assoluto.

45. Volo ergo sum Storia del concetto di forza (p. 245) C’era chi sosteneva (Maine de Biran) che, in quanto manifestazione della nostra volontà, il concetto di forza costituisce la prima nozione accertata e infallibile, anteriore persino alla nozione della nostra esistenza. Anche Schopenhauer pur non condividendo totalmente un simile pensiero, affermava che il concetto di volontà e di conseguenza quello di forza, sono gli unici a non scaturire dal fenomenico, ma a venire dall’interno. La nozione di forza è l’ultima a dover essere messa in discussione.

46. L’antropomorfismo Storia del concetto di forza (p. 249) Il concetto scientifico di forza si è storicamente formato in analogia alla sensazione di tensione o di sforzo sperimentata dall’uomo. Poincaré sostiene che l’antropomorfismo ha svolto un ruolo importante nella genesi della meccanica. Esso potrà avere un valore euristico anche per il futuro, fornendo nozioni simboliche che potrebbero risultare utili, ma non potrà mai servire come fondazione del vero ragionamento scientifico.

47. La vecchia teoria dell’azione a distanza La teoria dell’azione a distanza, che istantaneamente si propaga da un oggetto all’altro, fu progressivamente sostituita, dopo il 1800, prima da Faraday e poi da Maxwell, con la teoria di CAMPO. Come una massa gravitazionale agisce su una seconda massa per mezzo del campo gravitazionale da essa generato, così una carica elettrica agisce su una seconda carica elettrica non direttamente ma mediante il campo elettrico che essa stessa genera, inteso come modificazione dello spazio circostante indipendentemente dalla presenza di una seconda carica … Nella fisica moderna ogni interazione, è descritta da un campo.

48. La critica moderna al concetto di forza John Barrow Teorie del tutto (p. 157) La teoria einsteiniana della gravitazione ci ha insegnato, che il concetto di forza potrebbe essere solo un comodo antropomorfismo. Secondo la concezione classica, le leggi fisiche sono un insieme di regole che stabiliscono come i corpi (particelle) reagiscano all’azione di certe «forze» presenti tra loro, quando tali corpi (particelle) sono collocati nello spazio tradizionale, la cui geometria è quella di Euclide.

49. John Barrow Teorie del tutto (p. 157) La teoria della Relatività Generale ci ha fornito una descrizione della gravità assai più elaborata: la presenza dei corpi (particelle) e il loro moto determinano la topografia locale dello spazio in cui si trovano. Non vi sono più forze misteriose che agiscono tra corpi contigui, ma ciascuno ora si muove lungo la traiettoria più economica tra quelle accessibili nello spazio ondulato creato da tutte la materia presente nell’Universo

50. La forza nella scienza contemporanea John Barrow Teorie del tutto (p. 158 ) La nozione di forza gravitazionale è stata ricompresa nella più elegante e potente concezione di una geometria dinamica dello spazio-tempo. Ma allora forse una potenziale teoria del tutto, come la teoria delle corde, che includa e sostituisca la teoria della gravitazione di Einstein e la unifichi con la forza elettromagnetica e anche con le altre due forze, può portare alla dissoluzione pure di queste forze?