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Galileo Galilei – padre della scienza moderna

- Metodo scientifico nello studio delle leggi della Natura: esperimenti, elaborazione dati, costruzione teorica

- applicazione della matematica nello studio dei processi fisici

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Il metodo scientifico

OsservazioneOsservazione

IpotesiIpotesi

PrevisionePrevisione

“Eleganza: Descrivere un numero sempre maggiore di fenomeni, usando un numero sempre minore di leggi (o di idee?)”

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Galileo Galilei – oltre il “senso comune”

- Dinamica dei corpi – meccanica – leggi del moto; principio della dinamica

- Caduta dei gravi (corpi cadono con la stessa legge indipendentamente del peso)

- L’astronomia (2009 – anno internazionale dell’astronomia; 400 anni Galileo – cannochiale)

- Ottica, idraulica, acustica, magnetismo, termologia

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Galileo Galilei – e la letteratura

- Letteratura : Calvino defini Galileo «il più grande scrittore italiano di ogni secolo»;

Leopardi «forse il più gran fisico e matematico del mondo» «magnanimità di pensare e di scrivere» , «precisa efficacia e scolpitezza evidente» in ambito linguistico , «il primo riformatore della filosofia e dello spirito umano» ;

Primo Levi: «Galileo era un grandissimo scrittore proprio perché non era scrittore affatto. Era uno che voleva esporre quello che aveva visto»

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Quest'opera difende insieme i diritti della scienza e della cultura, esige libertà per lo scienziato e per l'uomo di cultura e affronta, oltre a questioni scientifiche, anche problemi di ordine cosmologico e filosofico, portando ovunque il senso nuovo della scienza moderna, il nuovo concetto dell'uomo e la forma nuova nella quale deve delinearsi il rapporto tra l'uomo e la natura." Ludovico Geymonat

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F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002

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Due “rivoluzioni scientifiche” stanno alla base della FISICA MODERNA – entrambe occorse nella prima meta’ del 20esimo secolo.

Tutto cio’ e’ accaduto quando i fisici hanno provato (e riuscito) di estendere le leggi delle fisica OLTRE l’esperienza di ogni giorno, oltre il senso comune

Hanno “partorito”:

• La teoria della Relativita’• La Meccanica Quantistica

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La relatività è collegata alla misurazione di eventi:

dove e quando essi accadono e quanto distano tra loro nello spazio e

nel tempo. I suoi principi vengono applicati nelle trasformazioni di misure quando si passa da un

sistema di riferimento ad un altro in moto relativo tra loro

(da qui il nome di relatività)(da qui il nome di relatività)

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Relatività SpecialeRelatività Speciale

Einstein, Lorentz, Poincaré

(1900 1905)

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NEWTONNEWTONI. Il tempo assoluto, vero, matematico, in sé e per sua natura senza relazione ad alcunché di esterno, scorre uniformemente, e con altro nome è chiamato durata; quello relativo, apparente e volgare, è una misura (accurata oppure approssimativa) sensibile ed esterna della durata per mezzo del moto, che comunemente viene impiegata al posto del vero tempo: tali sono l’ora, il giorno, il mese, l’anno.

 

II. Lo spazio assoluto, per sua natura senza relazione ad alcunché di esterno, rimane sempre uguale ed immobile; lo spazio relativo è una dimensione mobile o misura dello spazio assoluto, che i nostri sensi definiscono in relazione alla sua posizione rispetto ai corpi, ed è comunemente preso come lo spazio immobile; cosí la dimensione di uno spazio sotterraneo o aereo o celeste viene determinata dalla sua posizione rispetto alla terra. Lo spazio assoluto e lo spazio relativo sono identici per grandezza e specie, ma non sempre permangono identici quanto al numero. Infatti se la Terra, per esempio, si muove, lo spazio della nostra aria, che relativamente alla Terra rimane sempre identico, sarà ora una parte dello spazio assoluto attraverso cui l’aria passa, ora un’altra parte di esso; e cosí muterà assolutamente in perpetuo.

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GALILEOGALILEOenunciò

l’equivalenza tra due sistemi di

riferimento inerziali in moto uniforme

l’uno rispetto all’altro

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Oggi sappiamo che le trasformazioni di Galileo valgono però solo per valori

piccoli della velocità

Grandezze che caratterizzano la nostra vita quotidiana (senso

comune)

Se il valore della velocità si avvicina a quella della luce avvengono degli

effetti “strani”

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Einstein

(1905)

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Postulati della Relatività Speciale

P1 - leggi della natura sono le stesse in tutti i R.I.

preservato dalle eq. di Maxwell se e solo se

P2 - velocità della luce è la stessa in tutti i R.I.che spiega il risultato nullo dell’esperimento M & M

eq. di Maxwell in tutti i R.I. Etere non esiste

Einstein(1905)

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Contrazione delle lunghezze e la Contrazione delle lunghezze e la dilatazione dei tempidilatazione dei tempi

Un osservatore in quiete in un sistema inerziale vede accorciato un oggetto che si trova in quiete rispetto a un altro sistema inerziale in moto rispetto al proprio sistema

Un osservatore in quiete in un sistema inerziale vede dilatarsi l’intervallo di tempo durante il quale si verifica un fenomeno in un altro sistema inerziale in moto rispetto al proprio sistema

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Contrazione delle lunghezzeContrazione delle lunghezze

• 10% velocita’ della luce

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Contrazione delle lunghezzeContrazione delle lunghezze

• 86% velocita’ della luce

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Contrazione delle lunghezzeContrazione delle lunghezze

• 99% velocita’ della luce

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Contrazione delle lunghezzeContrazione delle lunghezze

• 99.99% velocita’ della luce

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Descrive il comportamento di “oggetti” molto piccoli

Principio di indeterminazione di Heisenberg:

- Tanto piu’ precisamente conosciamo la posizione di un oggetto, tanto meno precisamente conosciamo il suo impulso

Per la descrizione di oggetti come l’atomo, e/o ancora piu’ piccoli (particelle), c’e’ bisogno della meccanica quantistica.

Heisenberg nel 1925, all’eta’ di 24 anni

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Interferenza da due sorgenti

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Interferenza a singola particella

parete a 2 fenditure

Sorgente

A

B

schermo

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Interferenza a singola particella

parete

Sorgente

Probabilità di rivelareuna particellaPA(x)

A

B

otturatore

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Interferenza a singola particella

parete

Sorgente Probabilità di rivelareuna particellaPB(x)

A

B

otturatore

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Comportamento “classico”

parete

Sorgente

A

B Probabilità di rivelare

una particellaP(x) = PA(x) + PB(x)

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Interferenza quantistica

A

B

Probabilità totaledi rivelare

una particellaP(x)

Frange diinterferenza

Da quale fenditura passa la particella ? Da entrambe !

Sorgente

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TELETRASPORTO:REALTA’ O FANTASCIENZA?

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Cos’è il “teletrasporto”?

Definizione “naïve”: scomparsa di un oggetto da una posizione e simultanea ricomparsa del medesimo oggetto in altra posizione dello spazio (trasferimento senza moto intermedio)

Definizione “naïve”: scomparsa di un oggetto da una posizione e simultanea ricomparsa del medesimo oggetto in altra posizione dello spazio (trasferimento senza moto intermedio)

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Luna:BOB

Marte:ALICE

BABAHVVH −

2 fotoni nello stato

B

A

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“Chi non resta sbalordito dalla meccanica quantistica evidentemente

non la capisce”

Niels Bohr, 1927

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L’atomo all’inizio del ‘900 L’atomo di Thompson

L’atomo di Rutherford e Bohr

L’atomo quantistico

La struttura del nucleo

Il nucleo oggi

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Le forzefondamentali

1029 1040 10431

4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !!

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BosoneBosonedidi Higgs Higgs

Med

iato

ri d

i M

edia

tori

di F

orF

orzeze

Z bosone

W bosone

fotone

ggluone

Famiglie di Famiglie di

materiamateria

tau

-neutrino

bbottom

ttop

IIIIII

muone

-neutrino

sstrange

ccharm

IIII

eelettrone

ee-neutrino

ddown

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I I

Lept

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pton

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uark

sQ

uark

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?

GravitGravitàà

il il

fantasmafantasmadell’operadell’opera

Fermioni Bosoni

Il Modello Standard

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40 Km

Atmosfera

Studio DirettoStudio Diretto

Rivelatori Sotterranei

Studio Studio IndirettoIndiretto

EAS

>106 Km

300 Km

muoni

Part

icle

lle S

econ

darie

Cos

mic

i Pri

mari

Neutr

ini

Rivelatori Sottomarini

ASTROPARTICELLE

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I collisori materia-antimateriaI collisori materia-antimateria

ADA a Frascati 1959ADONE a Frascati nel 1969

DANE LEP al CERN di Ginevra 1988

LHC al Cern di Ginevra nel 2009

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abell2218 blu

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La Storia dell’Universo

astr

ofi

sica

bio

log

ia

fisi

ca n

ucle

are

fisic

a su

b-nu

clea

re

cosm

olog

ia

chim

ica

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Universo in espansione, dal piccolo al grande, dal caldo al freddo

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…e quindi…

• Semplici leggi fisiche predicono che le regioni piú o meno dense emettono radiazione piú o meno calda…

• Ma allora, l’immagine della radiazione di fondo è una fotografia delle strutture create dal Big Bang! Proprio l’immagine della Terra ci fa vedere le sue strutture!

• Subito dopo la scoperta, parte la ricerca delle disomogeneitá nella radiazione di fondo…

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COsmic Background Explorer (COBE)

Premio nobel per la fisica 2006 a John Mather e George Smoot

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Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, in operazione ora)

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Nuove conoscenze: Big Bang ed Inflazione cosmica

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Nuove conoscenze: la composizione del cosmo

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Nuove conoscenze: l’espansione accelera!

• Le osservazioni indicano che l’Universo sta accelerando la sua espansione

• L’accelerazione sarebbe iniziata alcuni miliardi di anni fa

• Questo processo puó essere ricondotto ad una forma di energia nello spazio vuoto, ipotizzata e poi ritrattata da Einstein ed altri fisici nell’ultimo secolo

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Enigmi in cosmologia

• Non sappiamo…• quali processi hanno preceduto l’Inflazione, e

se essi sono descritti da una trattazione unificata della gravità e le altre tre forze conosciute

• che cosa ha generato l’inflazione cosmica• che cosa è la materia oscura • cosa sta facendo accelerare l’espansione

cosmica

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Osservare per sapere

• Nei prossimi anni, alcuni enigmi potrebbero essere svelati dai prossimi esperimenti, grazie al progresso tecnologico negli ultimi decenni

• Osservazioni della radiazione di fondo ad altissima risoluzione, il tentativo di vedervi l’impronta di oscillazioni spaziotemporali impresse al Big Bang

• Miliardi di galassie in mappe 3D dell’universo• Esplosioni di supernove e raggi gamma per

ricostruire la storia dell’espansione cosmica• ``Cugini” della materia oscura nel Large Hadron

Collider• …

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F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002

L’unificazione di tutte le forze?

L’unificazione delle forze

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Le particelle sono veramente puntiformi ?

Teoria delle Stringhe

ulteriore livello microscopico: particelle non sono puntiformi, ma piccoli (10-33 cm) anelli

oscillanti

diversi stati di oscillazione della stringa particelle

diverse

Questioni Aperte

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• Cos'è la massa? Sappiamo come misurarla, ma da cosa è determinata?

• Qual è l'origine della massa? In particolare, esiste il bosono di Higgs??

• Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del plasma di quark e gluonisi verificherà l'origine non-perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo?

• Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs?

Fisica LHC (1)

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• Sappiamo ora che il 95% della massa dell‘universo non è costituita da materia simile a quella che conosciamo da tempo. Di che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e l'energia oscura?

• Esistono le particelle supersimmetriche (SUSY)? • Esistono le extradimensioni previste da vari modelli emersi dalla

teoria delle stringhe? E possiamo "vederle" in qualche modo? – si BUCHI NERI – per noi UN FATTO POSITIVO1 MAGARI

• Quali sono le caratteristiche della violazione CP che possono spiegare la dissimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi assenza di antimateria nell'universo?

• Cosa si può conoscere con maggiori dettagli di oggetti già noti (come il quark top)?

• Verificare sperimentalmente la teoria delle stringhe?

Fisica LHC (2)

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Large Hadron Collider

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Large Hadron Collider

Nello stesso tunnel di LEP:

4 esperimenti:

- ATLAS, CMS “general pourpuse”

- ALICE ioni pesanti

- LHCb fisica del b

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Large Hadron Collider

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Large Hadron Collider - ATLAS

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Large Hadron Collider

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Large Hadron Collider - ALICE

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Large Hadron Collider - LHCb

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Large Hadron Collider - CMS

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LHC e ATLAS: selezione eventi interessanti

800 milioni di collisioni al secondo. Solo una decina con “lampi” interessanti.

E’ come cercare un ago in un pagliaio.

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Einstein

“L’esperienza piu’ bella che possiamo avere e’ il mistero. E’ l’emozione fondamentale alla base della vera arte e della vera scienza. Chi non sa cos’e’ e non sa piu’ sognare o meravigliarsi, e’ come morto, e il suo sguardo e’ spento.”

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