Lezione 1 - Dipartimento di Fisica

Carlo Tarsitani,
Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma ‘La Sapienza’
Storia e insegnamento della fisica
quantistica
A. Ripensare la fisica classica
Immagine didattica di FC: insieme di strutture teoriche
basate sull’esperienza





Meccanica
Termodinamica
Teoria cinetica
Elettromagnetismo
Ottica
Visione schematica, rigida e frammentaria:
 Scarsa attenzione alle differenze tra i modelli cinematici
e dinamici e alla loro coerenza/incoerenza
 Scarsa attenzione ai fenomeni e ai problemi concettuali
‘di confine’
Immagine storica di FC: insieme di programmi di
ricerca in evoluzione e in competizione
 Ogni programma è animato da problemi teorici e
sperimentali
 La competizione tra i programmi tocca anche delicate
questioni di carattere epistemologico
 La coesistenza tra le strutture teoriche più accreditate è
difficile, se non impossibile
 Le maggiori difficoltà nascono quando la ricerca si
rivolge a fenomeni o a problemi concettuali ‘di
confine’, che richiedono la convergenza di diverse
strutture teoriche
FC non è insegnata nella prospettiva di
introdurre la fisica moderna
 FC non è un insieme di ‘verità’ dimostrate dall’esperienza
 FC non è un insieme di regole per risolvere problemi o esercizi
 Le strutture teoriche di FC non formano un sistema coerente
 Le strutture teoriche di FC sono strutturalmente incapaci di
spiegare aspetti fondamentali e generali dell’esperienza e le
proprietà essenziali della materia che ne sono alla base
Ne consegue che, se si intende insegnare la fisica
moderna, occorre ripensare fin dall’inizio
l’insegnamento di FC
Le dicotomie fondamentali di FC
1.
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3.
4.
5.
Continuo  Discreto
Macroscopico  Microscopico
Causale  Casuale
Lineare  Non lineare
Stabile  Instabile
Continuo  Discreto
Eintein (1905)
Esiste una differenza formale di natura essenziale tra le
rappresentazioni teoriche che i fisici hanno tracciato riguardo ai
gas e agli altri corpi ponderabili e la teoria di Maxwell dei
processi elettromagnetici nel cosiddetto spazio vuoto. Mentre si
suppone che lo stato di un corpo sia completamente determinato
dalle posizioni e velocità di un numero finito, anche se molto
grande, di atomi ed elettroni, per definire lo stato elettromagnetico
nello spazio si usano funzioni spaziali continue, sicché un numero
finito di variabili non può essere considerato sufficiente per
definire tale stato. […] L’energia di un corpo ponderabile non può
essere suddivisa in un numero arbitrario di parti piccole a piacere,
mentre l’energia di un raggio di luce emesso da una sorgente,
secondo la teoria di Maxwell (o, in generale, secondo una
qualsiasi teoria ondulatoria) si distribuisce in modo continuo in un
volume sempre crescente.
Modelli discreti
Punto materiale e sistemi di punti materiali, corpi rigidi
e sistemi di corpi rigidi (esempio tipico: i gas)
Il numero di gradi di libertà è finito o, tutt’al più, forma
un insieme infinito ma numerabile
Modelli continui
Sistemi materiali continui definiti da grandezze ‘di
campo’ (fluidi, corpi elastici, campo elettromagnetico,
ecc.)
I gradi di libertà sono tanti quanti sono i numeri reali
Principio di continuità dell’azione fisica: cause piccole a
piacere producono effetti piccoli a piacere
Problemi concettuali e sperimentali
Problema dei calori specifici
Problema della radiazione termica
Si tratta di problemi di confine tra meccanica,
termodinamica, elettromagnetismo e ottica
Dal punto di vista teorico, il problema centrale è
la ricerca di una spiegazione delle proprietà
dell’equilibrio termico dei sistemi materiali
(teoria cinetica dei gas) e della radiazione
elettromagnetica (legge del corpo nero)
Macroscopico  Microscopico
Quando si rende necessaria la distinzione?
Con la scoperta della termodinamica
1a legge: l’energia macroscopica ‘dissipata’ si
trasferisce a gradi di libertà microscopici
2a legge: non è possibile riconvertire
integralmente l’energia ‘microscopica’ in energia
‘macroscopica’
Ne segue che il mondo microscopico è
incontrollabile (esperimento mentale del
‘demone’ di Maxwell)
La differenza tra mondo macroscopico e
mondo microscopico è solo una differenza di
scala?
Dirac (1929)
Finché i concetti di grande e piccolo rimangono
puramente relativi, non c’è possibilità di spiegare il
grande mediante il piccolo. È quindi necessario
modificare le idee classiche in maniera da dare un
significato assoluto al concetto di dimensione.
Causale  Casuale
La visione dei processi fisici tipica di FC è
essenzialmente deterministica.
L’essenza del determinismo classico fu chiarita da
Laplace con il celebre brano:
Dobbiamo dunque considerare lo stato presente dell’universo
come l’effetto del suo stato anteriore e come la causa del suo
stato futuro. Un’Intelligenza che, per un dato istante,
conoscesse tutte le forze da cui è animata la natura e la
collocazione rispettiva degli enti che la compongono, se per
di più fosse abbastanza profonda per sottomettere questi dati
all’analisi, abbraccerebbe nella stessa formula i movimenti
dei più grandi corpi dell’universo e dell’atomo più leggero:
nulla sarebbe incerto per essa e l’avvenire, come il passato,
sarebbe presente ai suoi occhi.
Il problema del determinismo delle teorie classiche si
manifestò inizialmente come
Problema dell’irreversibilità
Come mai un mondo retto da leggi reversibili a
livello microscopico compie processi irreversibili a
livello macroscopico?
La risposta è nota (principio di Boltzmann):
S = klnW
Questa formula presuppone che il moto delle
molecole è essenzialmente casuale.
Problema della freccia del tempo
Lineare  Non lineare
Una vasta classe di sistemi classici sono retti da
equazioni differenziali non lineari (per es., sistemi
gravitazionali)
In generale questi sistemi presentano una dipendenza
sensibile dalle condizioni iniziali
Esiste una vasta classe di sistemi classici che sono
retti da equazioni lineari: in genere il loro moto è
oscillatorio e/o ondulatorio e per esso vale il
Principio di sovrapposizione
Oggi sappiamo che la fisica quantistica si distingue
da FC soprattutto per il fatto che i sistemi quantistici
devono essere tutti rigorosamente lineari
Stabile  Instabile
I sistemi atomici e molecolari mostrano una
straordinaria stabilità e regolarità.
FC è strutturalmente incapace di spiegare
queste proprietà.
La configurazione dei sistemi atomici e
molecolari che formano la materia ordinaria
non dipende dalle condizioni iniziali e non
può essere alterata, se non in casi eccezionali,
da alcuna perturbazione esterna, per quanto
violenta.