Ciò che "vediamo" È laREALTÀ ?

oppure ciò che veramente Èlo possiamo

solo"immaginare"?

che

… un Viaggio ai confini del tempoe dello spazio,

dalla Fisica Classicaalla Fisica Quantistica

passando per la teoria della Relatività

Flavio CavannaDipartimento di Fisica -Università dell’Aquila Settimana della Cultura Scientifica

“Una Città per la Scienza”

L’Aquila, 13 Maggio 2004

La FISICA è (in generale) lo studio dell’Universo:una parte di questo (piccola) è “accessibile” alla nostraOsservazione “diretta” (ossia attraverso i nostri sensi),

in molti casi ci dobbiamo però accontentare di Osservazioni “indirette” (ossia “filtrate” dagli strumentidi misura)

…. Il resto (la gran parte dell’Universo) possiamo solo immaginarlo !!!

Il METODO SCIENTIFICOCiò che si osserva è un EVENTO.

• I DATI sono la registrazione (possibilmente oggettiva e necessariamente ripetibile) degli EVENTI

• Se si osserva una “regolarità ricorrente” nei DATI si enuncia una LEGGE espressa attraverso il linguaggio matematico

• Nel rispetto delle LEGGI si costruisce una TEORIA che, attraverso il linguaggio logico deduttivo della matematica, spiega il FENOMENO alla base

degli EVENTI osservati.• Si accetta la TEORIA quando questa è in grado di prevedere il risultato

di EVENTI non ancora osservati (TEORIA STANDARD).

NB: le TEORIE attuali spiegano COME avvengono i FENOMENI ma non sono (ancora) in grado di spiegare PERCHÈ avvengono !!!!

La FISICA, così come è oggi concepita,si basa sul “Metodo Scientifico dell’Osservazione”

introdotto da Galileo

Termodinamica

Meccanica

ElettroMagnetismoGravità

Ottica

Teoria Atomica

I modelli di ciò che percepiamo intorno a noi

Il Mito della MelaUn giorno dell’anno 1666 Newton era andato in campagna e,vedendo la caduta di una mela, rivoltosi a me, suo nipote,mi chiese di consentirgli di raccogliersi in una profondameditazione sulla causa che attrae ogni corpo lungo unalinea il cui prolungamento passa per il centro della Terra

(Voltaire 1738)

EVENTO

Mela: massa mM

Terra: massa MT

Isaac Newton

DATI

Fg = Gm ⋅ Mr2

Isaac Newton

TEORIA

LEGGE(di gravitazione)

Nel vuoto, una piuma ed una melacadono con la stessa accelerazione

TEORIA della MECCANICA (Classica)

Un punto materiale fermo o in moto rettilineo uniforme sottoposto ad una forza F, assume una accelerazione a lungo la direzione e nel verso della forza, e di intensità proporzionale all'intensità della forza

FENOMENI analizzati: Moto dei corpi in presenza di Forze agenti sul corpo stesso

“La Terra non è il centro dell’Universo ma è solo un pianeta che (come altri) ruota intorno al Sole”

N Copernico

“Il Sole e la Luna attraggono le acque del mare, provocando le maree”J. Kepler

F→

= m a→

Gravitazione Universale

TERMODINAMICA

N. Carnot

Equazione di stato dei Gas (perfetti)

P ⋅V = nR ⋅ TP (pressione), V (volume), T (temperatura)Grandezze macroscopiche che caratterizzano ilSistema (n moli di Gas Perfetto)

TEORIA delElettroMagnetismo (Classico)

J.C. Maxwell

Emissione di Onde ElettroMagnetiche

Onda Piana

Emissione di unDipolo elettrico

• Radio• TV• Telefoni Cellulari• Forni a microonde• …..

OTTICACos’è la Luce??

Ottica Geometrica: la luce è “ente fisico” che si propaga in linea retta, secondo raggi,dei quali l’occhio forma un’immaginesulla retina.

NB: in O.G. non si specifica la natura di ciò che si propaga !!!

Ottica Fisica: la luce èun’onda elettromagneticacon lunghezza d’onda λ compresatra 400 nm e 750 nm

n = cv

Diffrazione della luceda una fenditura:Dimostra che la luce èun fenomenoONDULATORIO

fenditura

La Fisica Classica è una TEORIA che spiega:

• il moto dei CORPI in base alle forze applicate, ossia è in grado di determinarne la posizione nello spazio ad ogni istante di tempo (“traiettoria”): Meccanica di Newton e Galileo

• la Termodinamica (ossia i fenomeni legati alla propagazione del calore) è una “sotto-Teoria” della Meccanica (urti tra Corpuscoli).

• la propagazione delle ONDE elettromagnetiche nello spazio, ossia è in grado di determinare la presenza di campi elettrici e magnetici in base alla disposizione di cariche elettriche statiche e in movimento: ElettroMagnetismo di Maxwell

• l’Ottica (ossia i fenomenilegati alla propagazione della luce) è una “sotto-Teoria” dell’Elettromagnetismo (propagazione di onde elettromagnetiche visibili).

• … e la Relatività (Einstein) ???? >>>> tra poco….

spazio

tempo

traiettoriaRIASSUNTO (inizi ‘900)

All’inizio del XX secolo sembrava che tutti i fenomeni osservabili fosserocompresi o comprensibili attraverso la FISICA CLASSICA… … tutto torna !!! Allora la Fisica ha esaurito il suo compito ??? …. Oppure c’era qualcosa che sfuggiva alla comprensione??

Da qui messere si domina la valle,ciò che si vede … è

Ma se l’imago è scarna al nostro occhioscendiamo a rimirarla da più in bassoe planeremo in un galoppo alatoentro il cratere ove gorgoglia il tempo

(B.M.S. 1971, liberamente tratto da “Orlando Furioso” L. Ariosto)

Fisica Classica

Fisica QuantisticaRelativistica

Corpi e Onde, Forze e Materia, Spazio e Tempo sono “concetti” chiari eindiscutibili …. oppure … esistono insospettati legami tra questi che cisono sfuggiti a causa della limitatezza del nostro orizzonte di osservazione??

E se “scendendo a rimirarla da più in basso” scoprissimo una Realtà totalmente diversa, incui i corpi si comportano come onde e le onde come corpi?? in cui forze e particelle dimateria sono “oggetti” della stessa specie ??in cui lo spazio ed il tempo si fondono e si trasformano nello stesso modo??Cosa fare?? Occorre ricominciare tutto da capo e re-inventare un nuovo mondo.

Il Mondo quantistico-relativistico

Nel 1905 Einstein propose una nuova strabiliante TEORIAdella Luce per spiegare l’effetto Fotoelettrico:

sotto particolari condizioni la Luce, nota come fenomenodi “propagazione di ONDE”, mostra essere invece un fenomenolegato al “moto di CORPUSCOLI” materiali (chiamati FOTONI)

… all’inizio del XX secolo iniziarono ad affiorare una serie di fenomeni inspiegabili con la Teoria Classica ...

Tra questi il più evidente è l’Effetto Fotoelettrico, del tutto inspiegabile con la TEORIA Ondulatoria della Luce

A seguito del successo della TEORIA Corpuscolare della LuceDe Broglie nel 1917 propose una ancora più strabiliante ipotesi: Se la Luce si comporta come materia, forse la Materia, sottoparticolari condizioni, si comporta come un’Onda.

La verifica sperimentale di tale Teoria venne dall’esperimento noto come: Diffrazione di Elettroni.

Live-show n.1…...

Live-show n.2 …...

Occorre una TEORIA completamente nuova!! Il problema è però concettualmente molto complesso:Come si può conciliare la DUALITÀ ONDA-MATERIAe sintetizzarla in un’unica entità?

la soluzione trovata può apparire ovvia ma in realtà è profonda e sottile…

La materia NON È (solo) materia… ma piuttosto …È “PROBABILMENTE” anche un’ONDA !

Alla luce di tale TEORIA il mondo intorno a noi perde il suoSignificato DETERMINISTICO per far posto ad un mondo PROBABILISTICO

x

y

v

Nel nostro Mondo Macroscopicovediamo (poichè la illuminiamo!!)una mosca che vola:Al tempo t, la mosca occupala posizione (x,y) lungo la sua traiettoria di volo ed ha una velocità v

tv

t

Nel Mondo Sub-MicroscopicoLa mosca è un elettrone e la Luce è un insieme di fotoni.Uno di questi “interagisce” con l’elettrone e ce lo fa “vedere” inun’altra posizione (x’,y’)

Risposta: in (x,y)

Domanda: se non “accendiamo la luce” dovè l’elettrone??

NO: ….. PROBABILMENTE in (x,y)

X’

y’

Sally sta telefonando…. Sally sta ancora telefonando ...

Sally è ancora al telefono?? DOV’È Sally??

PROBABILMENTE è ancora al telefono….

• Nasce nel 1925 con la celebre Equazione di Schroedinger:

Al moto dei corpi si associa non più una traiettoria x(t) ma una funzione d’onda ψ(x,t) (ossia un’onda di probabilità)

• Si basa sul principio di Indeterminazione di Heisenberg (1927)

secondo cui una misura precisa di Posizione e di Impulso(ossia di Velocità) non può avvenire CONTEMPORANEAMENTE

“Così è, ..se vi pare…” (L. Pirandello, 1925)

Dio gioca a dadi con il mondo ??

IL GATTO DI SCHROEDINGER (un “paradosso un po’ macabro…)

prendete un gatto e un atomo radioattivo: metteteli in una scatola

Vi hanno assicurato che l'atomo probabilmente decadrà entro 24 h:nell’istante in cui ciò dovesse avvenire, verrà attivato un dispositivo chefarà morire il gatto.

Dopo una giornata riprendete la scatola: Cosa vi aspettate di trovare?

sono possibili solo 2 combinazioni:Gatto vivo - atomo integro oppure Gatto morto - atomo disintegrato

Sembrerà, però scontato a tutti che nell'istante in cui voi vi accingete ad aprire la scatola,… le sorti dell'animaletto siano già segnate...

La meccanica quantistica, invece, ci dice che il gatto si troverà in una condizione stranissima: nè vivo, nè morto

Per capirci, è come se la Natura avesse preso le due combinazioni e proprio nell'istante in cui si aprirà la scatolane estrarrà una: sarà questa quella che voi vedrete

Siete VOI in un certo senso a decidere riguardo alla sorte del gatto, che resta in bilico per tutto il tempo precedente !!

Parallelamente alla nascita della Teoria Quantistica si sviluppaun’altra affascinante Teoria che fà luce sul significato e sullaconnessione tra Spazio e Tempo: la Teoria della Relatività di Einstein

Un autobus ci passa davanti ad una velocità pari al 90% della velocità della luce (270.000 Km/s)!!!

Secondo la Teoria della RelativitàOsserveremmo che la lunghezza dell’autobus è ridotta del 44% !!! (rispetto alle sue dimensioni quando lo vediamo fermo)

.. Cosa succede se siamo nell’autobus??Vedremmo il nostro corpo anch’esso ridottodi dimensioni???

NO!!! Vedremmo noi stessi e tuttociò chec’e’ nell’autobus esattamente come sempre..… tuttavia, vedremmo invece ciò che sta fuori, per esempio la casa di fianco, ridotta di dimensione del 44%!!!

TUTTO È RELATIVO !!!

Il motivo di questo strano effetto è dovuto al fatto che SPAZIO e TEMPONON sono quantità distinte, ma sono tra loro connesse intimamente attraverso la velocità della luce c (valore massimodi propagazione di qualsiasi mezzo fisico).

Se c è la max velocita raggiungibile(postulato della Relatività di Einstein)

allora

Un raggio di luce si muove all’interno di un orologio fermo.Fà “tic-toc” ogni volta che batte e si riflette sopra-sotto

In un orologio in movimento il raggio di luce percorre unaDistanza maggiore e l’intervallo tra un “tic” e un “toc”Ci appare più lungo

La Velocità di un raggio di luce emesso da una lampadina su un treno che rispetto a noi(in stazione) si muove a velocità v non potrà essere, come diceva Galileo, c’ = c + vma sarà SEMPRE c !!!

Dimostrazione

d

t = dc

Tempo tra un “tic” e un “toc”

vt’

“tic”

“toc”

“tic”

d

Orologio Fermo

“toc”

D = v ⋅ ′ t ( )2 + d2

D

dal Teorema di Pitagora, ma anche D = c ⋅ ′ t

′ t =t

1− v2

c 2

≥ t

Fenomeno noto come “DILATAZIONE dei TEMPI”

Orologio in moto (velocità v)

Consideriamo due gemelli, Peter e Betty. Betty lascerà la Terranell'anno 2010 per raggiungere con una navicella spaziale unastella distante 8 anni luce (misurata nel sistema di riferimentoterrestre), viaggiando ad una velocità di 240. 000 chilometri alsecondo, pari cioè all'80% della velocità della luce. A talevelocità occorrono dieci anni per percorrere 8 anni luce, equindi per Peter, sulla Terra, Betty rientrrà nell'anno 2030(dieci anni per arrivare sulla stella più dieci anni per tornaresulla Terra). Betty, al suo ritorno, concorderà sul fatto che sial'anno terrestre 2030, ma insisterà che per lei sono trascorsisoltanto dodici anni, e l'orologio dell'astronave confermerà lasua affermazione segnando l'anno 2022.

Pertanto Peter vedrà Betty al suo ritorno invecchiata di soli 12anni mentre per lui.. saranno passati 20 anni…!!!

Il “paradosso dei Gemelli” …

La ragione di tutto questo è che la distanza dellaStella vista da Peter non è la stessa vista da Betty…Lo spazio ed il tempo sono due entità tra loro connesse

… dalla Meccanica Quantistica-Relativistica,alla Fisica delle Particelle Elementari,

fino al’Astrofisica Nucleare e SubNucleare

e la Cosmologia

Ovvero ...

...dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande...

.. Come è nato l’Universo ??

ICARUS @ GranSasso