Le frontiere della Fisica - Dipartimento di Scienze Matematiche
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Le frontiere della Fisica ovvero Liceo Scientifico Marconi, Parma Il deserto dei Tartari Sabato, 25 ottobre 2003 1 Enrico Onofri • • • • • • • • • Marconi: maturità nel 1964 Laurea in Fisica, U.Parma, 1968 Princeton U., 1976 CERN, 1981-1982 U.Trento, 1986-1989 U.Parma, 199070 lavori su riviste internazionali, 2 libri Dipartimento di Fisica, U.Parma, 905225 [email protected] Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 2 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 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 3 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, … Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 4 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 5 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 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 6 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 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 2 3 T Ka 2 4 K GM 7 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 8 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. Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 9 • 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/hum soc/Galileo/ Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 10 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) Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 11 La Matematica di Galileo • Geometria Euclidea • Aritmetica Il 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 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 12 Newton’s Principia http://gallica.bnf.fr/ Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 13 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” Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 14 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 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 15 La rivoluzione del XX secolo • Due costanti fisiche modificano profondamente il quadro apparentemente consolidato della Fisica dell’800: Liceo Scientifico Marconi, Parma c Sabato, 25 ottobre 2003 16 Entrambe fissano dei limiti • Limite assoluto di velocità • Limite assoluto di precisione per misure contemporanee Liceo Scientifico Marconi, Parma vc xp Et Sabato, 25 ottobre 2003 17 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 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 xy yx 18 La matematica della fisica quantistica ha le sue radici nell’800 • Cayley e Hamilton 1 2 2 1 i 3 (quaternioni e rotazioni spaziali) • Riscoperta da Pauli e fatta progredire da Dirac 2 g Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 19 Pubblicità • La storia del CERN e della Fisica delle particelle nella seconda metà del XX secolo Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 20 La “vera” storia della scoperta del DNA Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 21 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 22 Simmetrie • Il tema della simmetria è fondamentale nella fisica delle particelle subatomiche Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 23 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). Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 24 Le particelle elementari e la nostra ignoranza • Higgs • Super-particelle • Dark matter • Struttura in grande dell’Universo Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 25 • 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’Algebra e la teoria dei Gruppi hanno fatto progressi sostanziali di pari passo con lo sviluppo della fisica atomica e nucleare. • Negli ultimi 40 anni un’altra disciplina (Informatica o Computer science) è entrata in gioco con forza. Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 26 Una troika • Il trinomio matematica-fisica• Von Neumann e Eniac, informatica costituisce 1946 • Exalibur, 2003, attualmente un 12GFLops ambito di ricerca e sviluppo considerato strategico nei paesi avanzati (USA, Japan) – e l’Europa? Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 27 Dove non saremmo mai arrivati senza gli elaboratori veloci • • • • • • Navigazione (astronautica) Dinamica delle galassie Dinamica molecolare Meteorologia Cartoni animati Diagnostica medica (TAC, NMR) Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 28 Un piccolo esempio • Le equazioni di Newton per il sistema solare 2 d rj dt 2 G mk k r k rj |r k rj | 3 • 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) Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 29 Relatività Generale Con la teoria di Einstein (1916) i legami tra Fisica e Matematica subiscono un’ulteriore escalation: le leggi della gravità sono pura geometria e viceversa la geometria è vincolata alla presenza di materia R 12 Rg T Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 30 • 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 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 31 (immagine non in scala) Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 32 Un fisico di Parma … sta lavorando al progetto Michele Vallisneri • E diversi gruppi di ricerca (Roma, • Applicazioni? Principalmente in Trieste, Pisa, Padova, Parma) campo medico sono attivi in questo campo di (telechirurgia, indagine chirurgia assistita dal calcolatore, robotica) Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 33 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 Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 34 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) Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 35 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). Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 36 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 pura o fondamentale). Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 37 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. Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 38 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, …) Liceo Scientifico Marconi, Parma Sabato, 25 ottobre 2003 39 Galileo Newton Pippo Mister X Bohr e Heisenberg Fermi Feynman Heisenberg Kepler Liceo Scientifico Marconi, Parma Rosalind Franklin Sabato, 25 ottobre 2003 Einstein 40
