Ciò che "vediamo" È la
REALTÀ ?
oppure ciò che veramente È
lo possiamo
solo"immaginare"?
L’Aquila, 13 Maggio 2004
… un Viaggio ai confini del tempo
e dello spazio,
dalla Fisica Classica
alla Fisica Quantistica
passando per la teoria della Relatività
Flavio Cavanna
Dipartimento di Fisica -Università dell’Aquila
Settimana della Cultura Scientifica
“Una Città per la Scienza”
La FISICA è (in generale) lo studio dell’Universo:
una parte di questo (piccola) è “accessibile” alla nostra
Osservazione “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 !!!
La FISICA, così come è oggi concepita,
si basa sul “Metodo Scientifico dell’Osservazione”
introdotto da Galileo
Il METODO SCIENTIFICO
Ciò 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 !!!!
I modelli di ciò che percepiamo intorno a noi
Meccanica
Gravità
Ottica
ElettroMagnetismo
Termodinamica
Teoria Atomica
EVENTO
Il Mito della Mela
Isaac
IsaacNewton
Newton
Un 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 profonda
meditazione sulla causa che attrae ogni corpo lungo una
linea il cui prolungamento passa per il centro della Terra
(Voltaire 1738)
DATI
LEGGE
Mela: massa mM
(di gravitazione)
m⋅ M
Fg = G 2
r
Nel vuoto, una piuma ed una mela
cadono con la stessa accelerazione
Terra: massa MT
TEORIA
TEORIA della MECCANICA (Classica)
FENOMENI analizzati: Moto dei corpi in presenza di Forze agenti sul corpo stesso
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
→
→
F= ma
J. Kepler
“Il Sole e la Luna
attraggono le acque del mare,
provocando le maree”
Gravitazione Universale
“La Terra non è il centro
dell’Universo ma è solo un pianeta
che (come altri) ruota intorno al Sole”
N Copernico
TERMODINAMICA
N. Carnot
Equazione di stato dei Gas (perfetti)
P ⋅V = nR ⋅ T
P (pressione), V (volume), T (temperatura)
Grandezze macroscopiche che caratterizzano il
Sistema (n moli di Gas Perfetto)
TEORIA del
ElettroMagnetismo
(Classico)
J.C. Maxwell
Emissione di Onde ElettroMagnetiche
Onda Piana
• Radio
• TV
• Telefoni Cellulari
• Forni a microonde
• …..
Emissione di un
Dipolo elettrico
Cos’è la Luce??
OTTICA
Ottica Fisica: la luce è
un’onda elettromagnetica
con lunghezza d’onda
λ compresa
tra 400 nm e 750 nm
Ottica Geometrica: la luce è “ente fisico”
che si propaga in linea retta, secondo raggi,
dei quali l’occhio forma un’immagine
sulla retina.
c
n=
v
NB: in O.G. non si specifica la
natura di ciò che si propaga !!!
fenditura
Diffrazione della luce
da una fenditura:
Dimostra che la luce è
un fenomeno
ONDULATORIO
RIASSUNTO (inizi ‘900)
La Fisica Classica è una TEORIA che spiega:
spazio
traiettoria
tempo
• 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….
All’inizio del XX secolo sembrava che tutti i fenomeni osservabili fossero
compresi o comprensibili attraverso la FISICA CLASSICA…
… tutto torna !!! Allora la Fisica ha esaurito il suo compito ???
…. Oppure c’era qualcosa che sfuggiva alla comprensione??
Fisica Classica
Da qui messere si domina la valle,
ciò che si vede … è
Fisica Quantistica
Relativistica
Ma se l’imago è scarna al nostro occhio
scendiamo a rimirarla da più in basso
e planeremo in un galoppo alato
entro il cratere ove gorgoglia il tempo
(B.M.S. 1971, liberamente tratto
da “Orlando Furioso” L. Ariosto)
Corpi e Onde, Forze e Materia, Spazio e Tempo sono “concetti” chiari e
indiscutibili …. oppure … esistono insospettati legami tra questi che ci
sono sfuggiti a causa della limitatezza del nostro orizzonte di osservazione??
E se “scendendo a rimirarla da più in basso” scoprissimo una Realtà totalmente diversa, in
cui i corpi si comportano come onde e le onde come corpi?? in cui forze e particelle di
materia 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
… 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
Nel 1905 Einstein propose una nuova strabiliante TEORIA
della Luce per spiegare l’effetto Fotoelettrico:
Live-show n.1…...
sotto particolari condizioni la Luce, nota come fenomeno
di “propagazione di ONDE”, mostra essere invece un fenomeno
legato al “moto di CORPUSCOLI” materiali (chiamati FOTONI)
A seguito del successo della TEORIA Corpuscolare della Luce
De Broglie nel 1917 propose una ancora più strabiliante ipotesi:
Se la Luce si comporta come materia, forse la Materia, sotto
particolari condizioni, si comporta come un’Onda.
La verifica sperimentale di tale Teoria venne
dall’esperimento noto come: Diffrazione di Elettroni.
Live-show n.2 …...
Occorre una TEORIA completamente nuova!!
Il problema è però concettualmente molto complesso:
Come si può conciliare la DUALITÀ ONDA-MATERIA
e 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 suo
Significato DETERMINISTICO per far posto ad un mondo
PROBABILISTICO
y
vv
tt
Nel nostro Mondo Macroscopico
vediamo (poichè la illuminiamo!!)
una mosca che vola:
Al tempo t, la mosca occupa
la posizione (x,y) lungo la sua
traiettoria di volo ed ha una velocità v
x
Nel Mondo Sub-Microscopico
La mosca è un elettrone e
la Luce è un insieme di fotoni.
Uno di questi “interagisce” con
l’elettrone e ce lo fa “vedere” in
un’altra posizione (x’,y’)
y’
X’
Domanda: se non “accendiamo la luce” dovè l’elettrone??
Risposta: in (x,y)
NO: ….. PROBABILMENTE in (x,y)
Sally sta telefonando….
Sally è ancora al telefono??
Sally sta ancora telefonando ...
DOV’È Sally??
PROBABILMENTE è ancora al telefono….
“Così è, ..se vi pare…”
(L. Pirandello, 1925)
• 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
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 che
farà 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 scatola
ne 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 sviluppa
un’altra affascinante Teoria che fà luce sul significato e sulla
connessione 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 Relatività
Osserveremmo 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 ridotto
di dimensioni???
NO!!!
Vedremmo noi stessi e tuttociò che
c’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 TEMPO
NON sono quantità distinte, ma sono tra
loro connesse intimamente attraverso
la velocità della luce c (valore massimo
di propagazione di qualsiasi mezzo fisico).
Se c è la max velocita raggiungibile
(postulato della Relatività di Einstein)
allora
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 + v
ma sarà SEMPRE c !!!
In un orologio in movimento il raggio di luce percorre una
Distanza maggiore e l’intervallo tra un “tic” e un “toc”
Ci appare più lungo
Un raggio di luce si muove all’interno di un orologio fermo.
Fà “tic-toc” ogni volta che batte e si riflette sopra-sotto
“tic”
Orologio Fermo
Tempo tra un “tic” e un “toc”
d
d
t=
c
“toc”
Dimostrazione
t
t′ =
1−
v2
c2
“tic”
D
vt’
D=
( v ⋅ t ′ )2 + d 2
d
Orologio in moto (velocità v) “toc”
dal Teorema di Pitagora, ma anche D = c ⋅ t ′
Fenomeno noto come “DILATAZIONE dei TEMPI”
≥t
Il “paradosso dei Gemelli” …
Consideriamo due gemelli, Peter e Betty. Betty lascerà la Terra
nell'anno 2010 per raggiungere con una navicella spaziale una
stella distante 8 anni luce (misurata nel sistema di riferimento
terrestre), viaggiando ad una velocità di 240. 000 chilometri al
secondo, pari cioè all'80% della velocità della luce. A tale
velocità occorrono dieci anni per percorrere 8 anni luce, e
quindi per Peter, sulla Terra, Betty rientrrà nell'anno 2030
(dieci anni per arrivare sulla stella più dieci anni per tornare
sulla Terra). Betty, al suo ritorno, concorderà sul fatto che sia
l'anno terrestre 2030, ma insisterà che per lei sono trascorsi
soltanto dodici anni, e l'orologio dell'astronave confermerà la
sua affermazione segnando l'anno 2022.
Pertanto Peter vedrà Betty al suo ritorno invecchiata di soli 12
anni mentre per lui.. saranno passati 20 anni…!!!
La ragione di tutto questo è che la distanza della
Stella 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 a
l’Astrofisica Nucleare e SubNucleare
e la Cosmologia
Ovvero ...
...dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande...
ICARUS @ GranSasso
.. Come è nato l’Universo ??
