Stefano Atzeni

Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria (SBAI) Università di Roma “La Sapienza” e CNISM

Incontro Direzione Medica Abbvie Roma, 14.1.2014

Fisica: da Galileo a Higgs. Uno stesso metodo, sempre nuove frontiere

stefano.atzeni@uniroma1.it http://gaps.ing2.uniroma1.it/atzeni

RicercheinFisica

• pianoinclinatodiGalileoerivelatorialCERN• galassieepar5celleelementari• ...• materiacompressaegasrarefa9• materiaamiliardidigradie(quasi)allozeroassoluto• isolan5esupercondu?ori• ...• puraconoscenzaeapplicazioni

• misureaocchionudoeconstrumen5sofis5ca5ssimi

Checosahannoincomune?

LaFisicamiraa

stabilirerelazioniquan4ta4vefragrandezzemisurabili

• quan5ta5ve=>matema4ca

Lafilosofiaèscri,ainquestograndissimolibrochestadinanziagliocchi(iodicol’universo)manonsipuòintendereseprimanonsiimparaaintenderelalinguane’qualièscri,o.Eglièscri*oinlinguamatema2ca.(G.Galileo)

• misurabili=>strumen4dimisura

• relazionifragrandezze=>nonspiegazionimetafisicheHypotesesnonfingo(I.Newton)

+curiosità,intuizione,crea4vità+compe4zione,confronto,collaborazione

unpomeriggiodigennaio1684:unascommessafratregen5luomini,socidellaRoyalSociety

E.Halley C.Wren R.Hooke

Lascommessa

Assumendoche

duecorpiceles@sianoa,raAdaunaforzainversamenteproporzionalealquadratodellalorodistanza,

ricavarelatraie,oriadiciascunodeicorpi.

HalleyincontraNewton.ENewton:“Holarisposta;letraie?oriesonoellissi”.

Mahasmarrito(!)ladimostrazione.

Treannidopo

• Gravitazioneuniversale• Principidelladinamica• VerificadelleleggiKeplero(Ilegge:orbiteelli9che)• Peso=forzadigravità

gravitazioneUNIVERSALE:

lamelaelaluna,passandoperilcannone

Newtongenio,ma“Ontheshouldersofgiants”

• Galileo:accelerazionedigravità• Brahe:da5sulmotodeipiane5• LeggidiKeplero• Huygens:accelerazionecentripeta(dellaluna)

• Newtonstesso(!!!!):calcolointegraleedifferenziale

‐ ilcontributo(vediscommessa)distudiosidivariedisciplineèunacostantenellegrandi“rivoluzioniscien5fiche”:

• Watson,CrickeFranklin(DNA)• Modigliani,Black&Scholes,Feynmann(op5onpricing)• vonNeumann,Turing,ele?ronici(calcolatoridigitali)• .....

Lemisure,ovvero“cercaredovec’èluce,

illuminareciòcheèbuio”

Inunastradabuia,un@zio,evidentementeubriaco,cercaaffannosamenteunachiaveso,ounlampione.Unpassanteloaiuta,manontrovandonullaglichiedeseèsicurochele

chiavisianolì.L’ubriacorisponde:“No,maèquichec’èluce”

“Grande”e“piccolo”:

melaeluna...neutriniesupernove

Elemen4chiave

• Misure,ancheconstrumen5appositamentesviluppa5

• Analisideida5

• Intuizioni,usodianalogie

• Matema5ca,ancheappositamentesviluppata

• Curiositàesfida:brainstorming,scommessa

• Comunitàscien5ficaeambientesocio‐culturale

Misuree“Sonde”

Conrisoluzionesempremigliore• Galileo:orologioadacqua,ba9tocardiaco• pendolo(Hooke)• ...• orologiatomici,laser• oggimisuriamomiliardesimidimiliardesimidisecondo!

SemprepiùvarieAstronomia

• inlucevisibileaocchionudo• inlucevisibilecoltelescopio• infrarossaeultraviole?a• inraggiXeinraggigamma• inneutrini(!)

A.S.Stodolnaetal.,Phys.Rev.Le,.110,213001(2013)

Lanubeele?ronicadiunsingoloatomo

DaGalileoeNewtoninpoi:

nuoviproblemi,stessometodo

• teorieperspiegareda5sperimentali• previsioni• scoperte(molteina?ese)• applicazioni

novità:• simulazionenumerica(fisicacomputazionale)• dimensioni(partecipan5,inves5men5)degliesperimen5edeiproge9

Meccanicaquan5s5ca‐ondulatoria:una“strana”soluzionedell’equazionediSchroedinger:

unapar5cellapuòa?raversareunabarrieradi(energia)potenzialesuperioreallapropriaenergia:

EFFETTOTUNNEL

aoerJ.D.McGervey,Introduc5ontoModernPhysics,Academic,1983

Geiger‐Nu?aldata(Phil.Mag.22,613(1911)

G.Gamow,Z.Phys.,51,204(1928)

l’effe?otunnelspiegaildecadimentoalfa,

(elereazionidifusione)

R.W.GurneyandE.U.Condon,Nature,122,439(1928)

aoerM.Schmid,2005

DonEigleretal.,IBM,1993

Unacoronadi48atomid’orosuunsubstratodirame.

20nanometri

G.Binnig,H.Rohrer(1986)."Scanningtunnelingmicroscopy".IBMJournalofResearchandDevelopment30:4.

ILMICROSCOPIOASCANSIONEAEFFETTOTUNNEL:VEDIAMOGLIATOMI!

Teoriadell’ele?rone(Dirac,1928):meccanicaquan5s5ca

+teoriadellarela5vità

Amme?esoluzioniaenergianega5va!

Dirac(ca.1930):an4‐eleNroni

rispe?oall’ele?rone,caricaopposta,massa“opposta”(!),stessospin

C.D.Anderson,Phys.Rev.43,491(1933)

positron:magne@cfieldofbubblechamber,Photograph,fromEncyclopædiaBritannicaOnline,accessedJanuary13,2014.CourtesyoftheLawrenceBerkeleyLaboratory,theUniversityofCalifornia,Berkeley

1932:Rivelatol’an5ele?rone(positrone).An5materia.

LaPET:tomografiabasatasuemissionedipositroni

conceptbyD.E.Kuhl,L.ChapmanandR.Edwardslate1950’s,developedbymanyothers;PET‐CTabout2000.

LaPET:tomografiabasatasuemissionedipositroni

C.C.Joggerstetal.,Astroph.J.693,1780(2009)latodellacornicequadrata:5*109km

S.Haan,Nucl.Fusion,44,S171(2004);shelldiameter:90micrometers

Fenomenisimili,maconscalemiliardidivoltediverse:• supernova(sx)• capsulaperfusioneinerzialevialaser(dx)

S.Atzeni,A.Schiavi,M.TemporalPlasmaPhys.Controll.Fusion46,B111(2004)

HypersonicJetfromyoungsolar‐typestar.YSOjetH111,OrionNebula.HubbleSpaceTelescope.NASAandB.Reipurth,U.COlorado.lunghezzadeljet:parsec(3*1016m)

Ciardi,A.etal.,Phys.Plasmas14,056501(2007)

Fenomenisimili,maconscalemiliardidivoltediverse:unjetastronomicoeunjetprodo?oinlaboratorio

Nuovefron4ereegrandisfide

accordingtotheAmericalPhysicalSociety

•  Quantummanipula5onandnewmaterials(incl.nanoscales)•  Complexsystems(incl.turbulence,biophysics,climatology,...)•  Structureandevolu5onoftheuniverse•  Fundamentallawsandsymmetries•  [Physicsfor]Healthandbiomedicalsciences•  [Physicsfor]Theenvironment•  [Physicsfor]Na5onalSecurity•  [Physicsfor]Economyandtheinforma5onage

Concludendo

Stessometodo,fron5ereincon5nuaevoluzione,verso

• ilsemprepiùgrande• ilsemprepiùpiccolo• ilcomplesso(ilriduzionismononbasta)

• neisistemiacomportamentocolle9vo• perlabiologia• perlescienzesociali(?)• perlaproduzionedinuovimateriali

aspe?andosorprese‘Myjobasatheorististothinkofthingfortheexperimentstolookfor,butthenwehopetheyfindsomethingdifferent’.‘Iftheyjustfindexactlywhatwepredict,wewouldhavenoclueshowtoprogress’.(*)

(*)J.ElliswithMrs.M.Thatcher,seePhys.Scr.T158(2013)014020)