Le frontiere della Fisica

Liceo Scientifico Marconi, Parma

Sabato, 25 ottobre 2003 1

Le frontiere della Fisicaovvero Il deserto dei Tartari



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• [email protected]



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



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, …



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



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 GMK

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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.



• 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/



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)



La Matematica di Galileo

• Geometria Euclidea• AritmeticaIl 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



Newton’s Principia

http://gallica.bnf.fr/



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”



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



La rivoluzione del XX secolo

• Due costanti fisiche modificano profondamente il quadro apparentemente consolidato della Fisica dell’800:

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Entrambe fissano dei limiti

• Limite assoluto di velocità

• Limite assoluto di precisione per misure contemporanee

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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 yxxy



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

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• La storia del CERN e della Fisica delle particelle nella seconda metà del XX secolo



La “vera” storia della scoperta del DNA



Simmetrie• Il tema della simmetria è fondamentale nella

fisica delle particelle subatomiche



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).



Le particelle elementari e la nostra ignoranza

• Higgs• Super-particelle• Dark matter• Struttura in grande dell’Universo



• 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’AlgebraAlgebra e la teoria dei teoria dei GruppiGruppi hanno fatto progressi sostanziali di pari passo con lo sviluppo della fisica atomica e nucleare.

• Negli ultimi 40 anni un’altra disciplina (Informatica Informatica o Computer scienceComputer science) è entrata in gioco con forza.



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



Dove non saremmo mai arrivati senza gli elaboratori veloci

• Navigazione (astronautica)• Dinamica delle galassie• Dinamica molecolare• Meteorologia• Cartoni animati• Diagnostica medica (TAC, NMR)



Un piccolo esempio• Le equazioni di Newton per il sistema solare

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jkk

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2

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• 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)



Relatività Generale

Con la teoria di Einstein (1916) i legami tra Fisica e Matematica subiscono un’ulteriore escalation: escalation: le leggi della gravità sono pura geometria e viceversa la geometria è vincolata alla presenza di materia

TRgR 21



• 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 da LISA



(immagine non in scala)



Un fisico di Parma

… sta lavorando al progetto Michele Vallisneri

• E diversi gruppi di ricerca (Roma, Trieste, Pisa, Padova, Parma) sono attivi in questo campo di indagine

• Applicazioni? Principalmente in campo medico (telechirurgia, chirurgia assistita dal calcolatore, robotica)



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



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)



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).



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 purapura o fondamentalefondamentale).



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.



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, …)



Galileo

Newton

Feynman

Heisenberg

Bohr e HeisenbergFermi

Curie Einstein

Pippo Mister X

KeplerRosalind Franklin

Le frontiere della Fisica

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