La nuova fisica - sc875ea2cd35d636f.jimcontent.com · Pensare il mondo dopo Newton: Einstein, la...

La nuova fisica Pensare il mondo dopo Newton:

Einstein, la relatività, la fisica

quantistica.

Testi utilizzati:

C.Rovelli, Il mondo non è come ci appare (2014);

J.Al-Kahili, La fisica dei perplessi (2014)

F.Capra, Il Tao della fisica (1975)

W.Heisenberg, Fisica e filosofia (1958)

La fisica classica:

il modello newtoniano

Dalla seconda metà del Seicento alla fine

dell’Ottocento, il modello meccanicistico

newtoniano dominò tutto il pensiero scientifico:

erede naturale dell’atomismo antico e della

rigida separazione cartesiana tra res cogitans e

res extensa, la meccanica newtoniana fu

considerata per lungo tempo la teoria definitiva

con la quale era possibile descrivere tutti i

fenomeni naturali, fino a quando non vennero

scoperti i fenomeni elettrici e magnetici (non

spiegabili con le leggi di Newton)…

lucio celot - La nuova fisica

2

Oggi sappiamo che il modello

newtoniano è valido soltanto

per i corpi formati da un

grandissimo numero di atomi

e

per velocità molto inferiori

rispetto a quella della luce.

Quando non è soddisfatta la

prima condizione, la meccanica

classica deve essere sostituita

dalla meccanica quantistica.

Quando non si verifica la

seconda condizione deve

essere applicata la teoria della

relatività.


Isaac Newton

(1643-1727)

3

Lo «scenario» dell’universo newtoniano è lo

spazio tridimensionale della geometria euclidea

classica: un «contenitore» assoluto, immobile e

immutabile all’interno del quale si trovano i

corpi:

Lo spazio assoluto, per sua stessa natura senza

relazione ad alcunché di esterno, rimane sempre

uguale e immobile.

(I.Newton, Principi matematici della filosofia naturale,

1687)


4

Allo stesso modo, i mutamenti e movimenti

dei corpi si spiegano con la dimensione del

tempo, separata dal mondo materiale, che

fluisce uniformemente dal passato al futuro

attraverso il presente:

Il tempo assoluto, vero, matematico, in sé e

per sé per sua natura senza relazione ad

alcunché di esterno, scorre uniformemente.

(I.Newton, cit.)

In questo spazio e tempo assoluti si muovono

le particelle materiali: oggetti piccoli, solidi e

indistruttibili dei quali tutta la materia è

costituita (cfr. Democrito).


5

Rispetto all’atomismo antico, quello di Newton

descrive la forza che agisce tra le particelle

materiali: è la forza di gravità, che dipende dalle

masse e dalla reciproca distanza tra le particelle

stesse secondo la nota equazione

𝑭 = 𝑮 𝒎

𝟏𝒎

𝟐

𝒅𝟐

Tale forza si manifesta istantaneamente e a

qualsiasi distanza: pertanto, tutti i mutamenti

dell’universo vengono spiegati con il moto delle

particelle nello spazio e nel tempo secondo la

legge di gravitazione universale.

Questa visione meccanicistica comporta anche il

determinismo:


6

tutto ciò che accade ha una causa definita e

produce un effetto definito.

In linea di principio, se conoscessimo in tutte le

sue variabili un qualunque sistema meccanico,

potremmo prevedere con assoluta certezza gli

effetti futuri di un’azione, visto che le leggi

fisiche sono eterne e immutabili.

lucio celot - La nuova fisica 7


8

La scoperta del «campo»

A mettere in discussione la meccanica newtoniana

come «teoria del tutto» furono le scoperte e gli

studi sull’elettricità e il magnetismo di M.Faraday

e J.C.Maxwell a metà Ottocento.

L’interazione tra due cariche elettriche non viene

spiegata secondo la relazione tra due masse come

nella fisica newtoniana, ma attraverso il concetto

di campo: ogni carica elettrica genera nello spazio

circostante una «perturbazione», una

«condizione» tale che un’altra carica, se

presente, avverte una forza.

Lo spazio, allora, appare così:


9

A differenza del «contenitore vuoto» di Newton, lo spazio

contiene una serie di campi, di entità diffuse ovunque che

«portano» le forze e che si muovono come le onde sulla

superficie di uno stagno colpita da un sasso.

Secondo la teoria dei campi, la stessa luce è un campo

elettromagnetico che si muove nello spazio sotto forma di

onda (e non un insieme di corpuscoli come era per

Newton). lucio celot - La nuova fisica 10

Faraday immagina il campo come formato da

fasci di linee sottilissime (infinitamente sottili)

che riempiono lo spazio, una specie di

ragnatela gigantesca e invisibile che riempie

tutto attorno a noi.

Queste «linee» sono chiamate linee di forza,

perché «portano in giro» la forza elettrica e

magnetica, come cavi che tirano e spingono:


11

Dopo Faraday, J.Maxwell traduce

matematicamente il comportamento delle

linee di forza: le equazioni di Maxwell

descrivono il campo elettrico e il campo

magnetico.

Faraday e Maxwell hanno modificato la

struttura del mondo dopo due secoli di

ininterrotti successi del modello newtoniano:


12

La nuova fisica

I problemi del linguaggio sono qui veramente

gravi. Noi desideriamo parlare in qualche modo

della struttura degli atomi ma non possiamo

parlare degli atomi servendoci del linguaggio

ordinario […]

L’unica cosa che sappiamo fin dagli inizi è che i

nostri concetti comuni non possono essere

applicati alla struttura degli atomi.

Non potevo fare a meno di ripropormi in

continuazione il problema: è possibile che la

natura sia così assurda come ci è apparsa in

questi esperimenti atomici?

(W.Heisenberg, Fisica e filosofia, 1958)


13

Due sviluppi verificatisi separatamente –

quello della teoria della relatività e quello

della fisica atomica – infransero tutti i più

importanti elementi della concezione

newtoniana del mondo: la nozione di spazio e

di tempo assoluti e quella di particelle solide

elementari, la natura strettamente causale

dei fenomeni fisici e l’ideale di una

descrizione oggettiva della natura. Nessuno

di questi elementi poteva essere applicato ai

nuovi ambiti in cui allora la fisica stava

penetrando.

(F.Capra, Il Tao della fisica, 1975)


14

a) Einstein:

la teoria della relatività ristretta

e lo spaziotempo (1905)

Maxwell non scoprì solo che la luce è un campo

elettromagnetico ma ne calcolò anche la velocità

(300.000km/s ca). Questa scoperta non è

compatibile con la meccanica newtoniana, secondo

la quale la velocità è sempre relativa a

qualcos’altro:


la velocità (nella fisica classica) è un concetto

relativo, non esiste la velocità di un oggetto in sé:

esiste solo la velocità di un oggetto rispetto ad un

altro oggetto.

Allora, la velocità della luce è velocità rispetto a

cosa?

Nel 1905 Albert Einstein giunge alla conclusione

che, a differenza di quanto pensavano Newton e

Galilei, la velocità della luce è sempre costante

per qualunque osservatore: ne deriva che, per

corpi che si muovono a velocità prossime a quella

della luce, il concetto di simultaneità perde

significato e quindi il tempo diventa relativo al

sistema di riferimento (e non più una grandezza

assoluta).


Facendo un esperimento ideale

proposto dallo stesso Einstein,

consideriamo un treno che si muove a

grande velocità rispetto a un

osservatore 01 che si trova a terra,

lungo i binari. Un secondo osservatore

02 si trova sul treno, esattamente nel

punto medio di un vagone. A un certo

punto, qualcuno provoca l’esplosione di

due petardi sui binari, in

corrispondenza delle due estremità del

vagone:


17

Mentre i raggi luminosi si

propagano, il treno si

sposta (nel nostro

esempio) verso sinistra.

Quindi 02 vede prima

l'esplosione che avviene

alla testa del vagone e

soltanto dopo un certo

intervallo di tempo vede

l'esplosione che ha avuto

luogo in coda al vagone:

non c'è dubbio che,

secondo lui, le due

esplosioni NON sono state

simultanee (mentre lo

sono per 01). Allora i due

eventi che stiamo

esaminando, cioè le due

esplosioni, sono stati

simultanei o no?


18


19

Mentre era già noto prima di Einstein che la

posizione di un corpo nello spazio è sempre

relativa alla posizione dell’osservatore, per

quanto riguarda il tempo la fisica classica

supponeva che l’ordine temporale tra due eventi

fosse indipendente da qualsiasi osservatore: alle

specificazioni temporali («prima», «dopo»,

simultaneamente», etc.) veniva dato un

significato assoluto, indipendentemente dal

sistema di coordinate spaziali all’interno delle

quali l’evento si manifesta.

L’esempio del treno dimostra invece che

osservatori con velocità diverse ordineranno

diversamente gli eventi nel tempo, poiché la luce

richiede un certo tempo per andare dall’evento

all’osservatore… lucio celot - La nuova fisica

20

Un altro esempio:

se la luce viaggia a 299.792 km al secondo, un

fascio di luce dalla superficie di Marte

impiegherebbe i seguenti tempi per raggiungere la

Terra:

massimo avvicinamento: 182 secondi, poco più

di 3 minuti

massima distanza: 1.342 secondi, poco più di 22

minuti

distanza media: 751 secondi, poco più di 12,5

minuti

Dunque, un ipotetico osservatore su Marte Om

vedrebbe il fascio di luce 3, 22 o 12,5 min.

«prima» di un osservatore sulla Terra Ot…


Allora, nell’esempio precedente il «presente»

di Om NON è il presente di Ot, per il quale è

invece «futuro» (la luce non è ancora visibile);

il «presente» di Ot (quando la luce arriva sulla

Terra) è il «passato» di Om.

Fra il passato e il futuro di ciascun evento […]

esiste una «zona intermedia» (l’insieme degli

eventi a distanza di tipo spazio rispetto a un

osservatore), un «presente esteso» di

quell’evento, una zona che non è né passata né

futura. Questa è la teoria della relatività

ristretta.

(C.Rovelli, La realtà non è come ci appare, 2014)


Questo «presente esteso», la cui durata

dipende dalla distanza spaziale dell’evento

rispetto all’osservatore,

è qualcosa che fa parte della struttura

della realtà, è «intessuto» in essa, ha un

valore «ontologico».

Non possiamo dire che un evento «accade

proprio ora»: il «proprio ora» non esiste,

non esiste la simultaneità assoluta, non

esiste un insieme di eventi nell’universo

che siano tutti esistenti «adesso».


Il nostro «adesso» esiste solo qui. L’insieme

degli eventi dell’universo non si può descrivere

correttamente come una successione di

presenti [uguali per tutti], uno che segue

l’altro; ha una struttura più complicata.

(C.Rovelli, cit.)

Questa struttura è lo spaziotempo: non esiste lo

«spazio» da solo, e la nostra idea di «presente

simultaneo» è solo dovuta al fatto che siamo

incapaci di percepire gli infinitesimi intervalli di

tempo con cui la luce ci permette di osservare i

fenomeni: dire «qui e adesso» ha senso; dire

«adesso» intendendo «fatti che stanno

accadendo ora in tutto l’universo» non ne ha…


26

Riassumendo:

il tempo assoluto su cui è fondata la meccanica

classica non ha significato fisico;

la simultaneità assoluta non esiste;

non è possibile definire un tempo assoluto che

«scorra» uguale per tutti gli osservatori;

il tempo è relativo al sistema di riferimento:

il quadro concettuale dell’universo

newtoniano, basato su un tempo assoluto,

uguale per tutti gli osservatori, nel quale si

verificano gli eventi naturali, crolla

definitivamente.

…e non è tutto:


27

b) Einstein e la teoria della

relatività generale (1915)

Newton aveva cercato di spiegare perché le cose

cadono e perché i pianeti e i corpi celesti

ruotano: aveva parlato di «forza di gravità», pur

senza specificare come due corpi che non si

toccano possano attrarsi reciprocamente:

Faraday aveva dato la risposta per la forza

elettrica e quella magnetica (teoria del campo).

Einstein intuisce (e impiega dieci anni per

dimostrarlo!) che ciò che vale per le cariche

elettriche e per i magneti deve valere anche per

i corpi celesti e per gli oggetti sulla Terra: deve

esistere, per analogia, un campo gravitazionale… lucio celot - La nuova fisica 28

Lo spazio newtoniano si rifaceva a

quello democriteo (non essere): un

contenitore vuoto, uno «scatolone»

rigido per contenere l’Universo

all’interno del quale si muovono i

corpi.

Einstein raccoglie due problemi:

come descrivere il campo

gravitazionale?

cos’è davvero lo spazio di Newton?

- Ed ecco lo straordinario colpo di

genio di Einstein, uno dei più

grandi colpi d’ala nel pensiero

dell’umanità: se il campo

gravitazionale fosse proprio lo

spazio di Newton? Questa idea,

semplice, bellissima, folgorante, è

la teoria della relatività generale.

- (C.Rovelli, cit.)


…la più bella delle teorie…

29


Di che cosa è fatto il mondo?

La «rivoluzione» della nuova fisica:

30

Secondo la relatività generale, l’universo è

costituito da campi e particelle, e nient’altro.

A differenza dello spazio newtoniano, che è piano

(geometria euclidea), il campo gravitazionale è

qualcosa che si muove, ondeggia, si flette, si torce,

etc.: non è più qualcosa di separato dalla materia

ma è una componente materiale del mondo,

un’entità reale.

Inoltre, è uno

spazio curvo

(geometria

non euclidea)


31


La Terra «piega», deforma lo spazio intorno a sé e la Luna le gira

intorno non perché una misteriosa forza la attragga verso la Terra,

ma semplicemente perché si trova in uno spazio inclinato, come una

pallina che rotola in un imbuto: i pianeti ruotano intorno al Sole e le

cose cadono perché lo spazio intorno a loro è incurvato!

Dunque: dovunque sia presente un oggetto con massa, lo spazio

circostante è curvo, e il grado di curvatura, cioè il grado con cui la

geometria curva si allontana da quella euclidea, dipende dalla massa

dell’oggetto. Più materia c’è, più lo spazio si incurva… 32

Lo spaziotempo gravitazionale di Einstein è curvo nel senso che le distanze tra i suoi punti non sono le stesse di uno spazio piano, così come il teorema di Pitagora o la definizione di triangolo non valgono sulla superficie della Terra (o di qualunque superficie sferica)… lucio celot - La nuova fisica 33

A causa della curvatura

gravitazionale, si incurvano

anche la luce (immagine a

sinistra) e il tempo.

Dalla relatività ristretta

sappiamo che spazio e tempo

sono uniti inscindibilmente: la

curvatura del campo influenza

anche lo scorrere del tempo,

che non scorre con la stessa

rapidità che avrebbe in uno

spazio «piano».

Le previsioni di Einstein, poi

confermate da calcoli

successivi, vogliono che in

prossimità di un campo

gravitazionale o alle alte

velocità il tempo scorra più

lentamente: lucio celot - La nuova fisica

34

Sulla Terra, come su qualunque corpo celeste, il

tempo scorre più lentamente in prossimità della

superficie (gravità maggiore) rispetto a località

poste più in alto (gravità minore):


fonte:

C.Rovelli, cit.

L’intera struttura dello spaziotempo è

inestricabilmente legata alla

distribuzione della materia. Lo spazio

è curvo in misura diversa e il tempo

scorre diversamente in punti diversi

dell’universo. Siamo quindi giunti a

comprendere che le idee di spazio

euclideo tridimensionale e di tempo

che scorre linearmente sono limitate

alla nostra esperienza ordinaria del

mondo fisico e devono essere

completamente abbandonate quando

ampliamo questa esperienza.

(F.Capra, cit.)


c) La meccanica quantistica

Planck, Bohr, Pauli, Dirac, Schrödinger,

Heisenberg: sono alcuni degli scienziati che

hanno dato vita al paradigma quantistico, vera e

propria rivoluzione scientifica del XX secolo, con

cui viene proposta una visione del mondo in cui

il determinismo e la rigorosità delle leggi della

fisica classica non sembrano valere più.

La teoria quantistica rompeva in modo lacerante

con la fisica classica, e si sviluppò in

concomitanza con gli studi che, tra il 1895 e il

1908, portarono alla scoperta del mondo

atomico e subatomico.


La concezione meccanicistica del mondo della

fisica classica era basata sulla nozione di

corpi solidi che si muovono nello spazio vuoto

[...] Sia il concetto di spazio vuoto sia quello

di corpi materiali solidi sono profondamente

radicati nel nostro modo di pensare, cosicché

per noi è estremamente difficile immaginare

una realtà fisica nella quale essi non siano più

validi. Eppure è proprio ciò che la fisica

moderna ci costringe a fare quando andiamo

oltre le dimensioni medie. Non ha più senso

parlare di «spazio vuoto» in astrofisica e

cosmologia […] mentre il concetto di corpo

solido è stato spazzato via dalla fisica

atomica[…]

(F.Capra, cit.) lucio celot - La nuova fisica

38

Sempre Einstein (e sempre nel 1905) scopre che la luce

è fatta di particelle di luce, di «grani», di «pacchetti» di

energia discontinui che chiama fotoni:

Considero l’ipotesi che l’energia di un raggio di luce non

sia distribuita in maniera continua nello spazio, ma

consista invece in un numero finito di «quanti di

energia» che sono localizzati in punti dello spazio, si

muovono senza dividersi e sono prodotti e assorbiti

come unità singole. lucio celot - La nuova fisica 39

Il danese Niels Bohr, che a

inizio secolo studia la

struttura dell’atomo, si

rifà alla scoperta di

Einstein e ipotizza che

anche gli elettroni

abbiano un’energia che

assume solo alcuni valori:

come per la luce, anche

l’energia degli elettroni

ha una struttura

«granulare»,

«quantistica», che sembra

essere una caratteristica

molto generale della

natura: lucio celot - La nuova fisica 40

l’atomo è una struttura complessa costituita a sua volta da altre particelle più piccole (elettroni, protoni, neutroni) e non assomiglia affatto alle particelle dure, solide e compatte della fisica classica.

Bohr propone, dunque, un modello dell’atomo nel quale gli elettroni NON obbediscono ad alcune leggi della fisica classica:


41

gli elettroni non si muovono attorno al nucleo dell’atomo lungo tutte le orbite che sarebbero possibili (come vorrebbe la meccanica classica) ma solo attorno ad alcune;

l’elettrone passa da un’orbita stazionaria all’altra con un salto brusco, non con continuità («salto quantico»): non può esistere negli spazi intermedi tra un’orbita e un’altra;

poiché in ogni orbita l’elettrone acquisisce (o irradia) una quantità di energia diversa, significa che l’energia non può variare con continuità ma secondo quanti, cioè «blocchi» calcolabili secondo la costante di Planck.


La quantizzazione dell’energia rappresentava una

smentita della convinzione millenaria della

continuità dei processi naturali: l’antica massima

natura non facit saltus veniva violata dal

comportamento dell’elettrone.

Tra il 1924 e il 1925 viene elaborata la «nuova

meccanica quantistica», i cui principi non solo

rivoluzionavano ulteriormente la scienza classica

ma mettevano anche in discussione il senso

comune e convinzioni consolidate da secoli.

La fisica quantistica assume la propria fisionomia

controintuitiva attraverso due aspetti in

particolare:


La natura statistica e probabilistica della fisica

quantistica.

La teoria quantistica non è in grado di

determinare con precisione il comportamento di

una particella, ma solo di calcolarne

probabilisticamente i movimenti: W.Heisenberg

teorizzò il principio di indeterminazione nel

1929, il quale afferma che non è possibile

conoscere contemporaneamente con precisione

assoluta la velocità e la posizione di un elettrone

o di qualsiasi altra entità quantistica.

Nella meccanica classica, è possibile prevedere il

comportamento di un corpo se ne conosciamo le

due coordinate canoniche, cioè velocità e

posizione nello spazio… lucio celot - La nuova fisica 44

Nel caso di un elettrone, gli apparati di misurazione

utilizzati alterano inevitabilmente il suo stato di

moto, per cui se si riesce a misurare con precisione

una delle due coordinate canoniche aumenta

l’incertezza con cui si può misurare l’altra (ad es.,

misurare la posizione di un elettrone facendolo

urtare contro una lastra fotografica).


45

In altri termini, Heisenberg ci dice che non possiamo

mai prevedere con certezza dove si troverà una

particella subatomica in un certo momento o come

si svolgerà un processo atomico: l’unica cosa che

possiamo fare è una previsione di probabilità.

Non potendo dire, ad esempio, con sicurezza dove

si troverà un elettrone in un atomo in un certo

istante, possiamo però calcolare le «distribuzioni di

probabilità» (gli orbitali) che rappresentano la

«tendenza» dell’elettrone a trovarsi in una regione

piuttosto che in un’altra: nella figura successiva

vediamo alcune di queste distribuzioni sotto forma

di modelli in chiaroscuro. E’ più probabile che

l’elettrone si trovi nelle zone più chiare rispetto a

quelle più scure:



Fonte:

F.Capra, cit.)

Per cui, a differenza del mondo macroscopico, la

scienza deve prendere atto che esiste un limite

insuperabile - costituito dall’interazione tra

oggetto osservato e apparato di misurazione - che

non consente di avere una conoscenza di tipo

deterministico su ciò che la natura atomica fa

quando nessuno la osserva.

…una cosa o l’altra, ma non

entrambe contemporaneamente… lucio celot - La nuova fisica

48

Il dualismo onda-corpuscolo.

Fisica classica e buon senso vogliono che un’onda e

il suo comportamento fisico siano ben diversi da un

corpuscolo: non così per la quantistica, secondo la

quale è necessario ammettere (Einstein) che i

fotoni (particelle di luce) in alcune circostanze si

comportano come corpuscoli (Newton), in altre

come onde (Maxwell).

L’esperimento della «doppia fenditura» è

considerato da molti fisici fondamentale per la

comprensione della meccanica quantistica:


Premessa: un fascio di luce proiettato attraverso due

fenditure forma sullo schermo una figura a frange

prodotta dall’interferenza tra le onde di luce che

escono dalle due fenditure. La luce conferma qui la

sua natura ondulatoria (e non corpuscolare…)


Per mezzo di un «cannone» spariamo un fotone alla

volta attraverso una sola fenditura (l’altra è chiusa):

la figura che otteniamo sullo schermo in

corrispondenza della fenditura aperta mostra che la

particella si comporta come un corpuscolo. Ma:


se spariamo un fotone alla volta attraverso le due

fenditure, ci aspetteremmo di trovare sullo schermo

due figure brillanti in corrispondenza delle fenditure

e una macchia scura al centro: invece, troveremo una

figura di interferenza a bande, proprio come per il

fascio di luce. In questo caso, i fotoni si sono

comportati come un’onda! lucio celot - La nuova fisica 52

In conclusione:

cosa ci dice la meccanica quantistica

sul mondo?

La natura ha una struttura di tipo granulare: non

esattamente come pensava Democrito (poiché le

particelle spariscono e ricompaiono e non sono dei

«sassolini»), anche se va riconosciuta la profondità di

pensiero e l’intuizione del filosofo greco;

La natura è caratterizzata dall’indeterminismo: il futuro

è imprevedibile, le particelle di materia si muovono e

vibrano in modo casuale, continuo, imprevedibile;

La natura è relazione: le particelle sono «visibili» solo

quando entrano in relazione con altro (altre particelle,

strumenti di misurazione, etc); non «sono» ma

«accadono».



Subito dopo la formulazione della teoria quantistica apparve

chiaro che una teoria completa dei fenomeni nucleari doveva

tenere conto anche della relatività, poiché le particelle si

muovono con velocità prossime a quella della luce: dunque, per

una piena comprensione del mondo nucleare è necessaria una

teoria che «incorpori» sia la teoria quantistica che quella

relativistica. Finora questa teoria non è stata trovata:

[…] la fusione delle teorie quantistica e relativistica in una

teoria completa delle particelle è ancora il problema centrale e

la grande sfida della ricerca fondamentale nella fisica moderna.

(F.Capra, cit.)

Il paradosso è che entrambe le teorie funzionano bene […] Un

gruppo di fisici teorici sparsi per i cinque continenti sta

cercando di dirimere la questione. Il campo di studio si chiama

«gravità quantistica»: l’obiettivo è trovare una […] coerente

visione del mondo in cui la schizofrenia sia risolta.

(C.Rovelli, cit.)

La nuova fisica - sc875ea2cd35d636f.jimcontent.com · Pensare il mondo dopo Newton: Einstein, la...

Documents

Transcript of La nuova fisica - sc875ea2cd35d636f.jimcontent.com · Pensare il mondo dopo Newton: Einstein, la...