Tre lezioni
per indagare sul mistero di
MATERIA
ENERGIA
INFORMAZIONE
Udine, 15 maggio 2008
1
giuseppina trifiletti
PREMESSA
Le leggi della termodinamica - le regole che
governano il moto degli atomi in un pezzo di
materia – sono leggi sull’informazione
La teoria della relatività – che descrive il
comportamento degli oggetti a velocità altissime e
sotto l’effetto della forza di gravità, è in realtà una
teoria dell’informazione.
La teoria quantistica che governa il mondo
dell’infinitamente piccolo, è in realtà una teoria
dell’informazione.
Udine, 15 maggio 2008
2
giuseppina trifiletti
Il concetto di informazione
che va ben oltre il semplice contenuto di un
disco rigido, lega tutte queste teorie in
un’unica idea incredibilmente potente.
Le leggi dell’informazione stanno dando ai
fisici un possibile modo di comprendere i
misteri più oscuri sui quali l’umanità abbia
mai riflettuto.
Udine, 15 maggio 2008
3
giuseppina trifiletti
La Teoria della Relatività e la Meccanica
Quantistica videro la luce prima della teoria di
Shannon, ma dietro le apparenze le due teorie
nascondono le basi della teoria dell’informazione
come cercheremo di capire nelle prossime due
lezioni.
E proprio la Teoria dell’Informazione potrebbe
essere la chiave per svelare i misteri della
relatività e della meccanica quantistica e per fare
luce sull’inquietante conflitto che le oppone.
Udine, 15 maggio 2008
4
giuseppina trifiletti
MATERIA
MASSA ED ENERGIA
Udine, 15 maggio 2008
5
giuseppina trifiletti
Che cosa è la materia?
Nelle scienze con il termine materia si intende tutto ciò che
occupa uno spazio ed ha una massa.
La materia si presenta in innumerevoli
forme, identificate da proprietà diverse, che
vengono percepite dai nostri sensi o
evidenziate tramite strumenti scientifici.
Siamo abituati infatti a designare con l'aggettivo "materiale"
tutto ciò che può cadere sotto la percezione diretta dei
nostri sensi: diciamo materiale quello che si vede, si tocca,
si odora, si gusta e di cui si può udire il suono.
Udine, 15 maggio 2008
6
giuseppina trifiletti
Al livello macroscopico, cioè quello della nostra scala
umana, questa è una definizione operativa adeguata.
Nel linguaggio comune chiamiamo, poi, "corpi" gli oggetti
(enti) "materiali", specialmente quelli solidi, ma in senso
ampio anche i liquidi e aeriformi, così come quelli che si
possono osservare indirettamente mediante degli
strumenti.
Con il termine «materia» viene quindi
indicata una sorta di tessuto costitutivo dei
corpi, indipendentemente da come esso si
differenzia nei diversi tipi di corpo.
Udine, 15 maggio 2008
Prof. STRUMIA
che cosa è la
7 materia?
giuseppina trifiletti
La necessità di introdurre una simile
terminologia nasce, in prima istanza,
dall'esigenza di distinguere
- ciò che causa un'esperienza sensoriale
- da ciò che è all'origine di un'esperienza
di natura diversa, come quella interiore del
pensare, del provare emozioni, del
ricordare e del volere, che si presenta
come fondamentalmente imponderabile,
immateriale.
Udine, 15 maggio 2008
8
giuseppina trifiletti
FISICA CLASSICA
L'interpretazione meccanicista della fisica
classica vede, da un punto di vista filosofico,
una confusione molto frequente fra
"sostanza" e "accidente"
cioè tra gli "oggetti" fisici e le loro "proprietà".
Udine, 15 maggio 2008
9
giuseppina trifiletti
Dal punto di vista filosofico, ad esempio,
— la materia è "sostanza“
in quanto capace di sussistere per se stessa.
— La massa e l'energia sono “accidenti”
non sono delle "cose", non sono esse stesse
sostanze, ma proprietà della materia, vale a
dire "accidenti".
Udine, 15 maggio 2008
10
giuseppina trifiletti
TEORIA DELLA RELATIVITÀ
C’è la tendenza alla sostanzializzazione di massa
ed energia nella relatività ristretta
La relatività ristretta, infatti, con l'equivalenza tra
massa ed energia,
ristabilisce la simmetria:
non solo la materia,
ma anche la radiazione (campo
elettromagnetico)
è dotata di "massa"
Udine, 15 maggio 2008
11
giuseppina trifiletti
MECCANICA QUANTISTICA
Se la relatività ristretta ha unificato le due
"proprietà" (accidenti) della massa e dell'energia,
la meccanica quantistica, nella sua versione
relativistica di "teoria quantistica dei campi", tende
a comporre
l'unità sostanziale di materia e radiazione
Udine, 15 maggio 2008
12
giuseppina trifiletti
in quanto ci presenta un complesso di onde-particelle in
cui la distinzione tra ciò che classicamente si denotava
come "materia" e ciò che si denotava come "radiazione",
si assottiglia drasticamente.
Materia e radiazione (nel senso lato di campo di
interazione: gravitazionale, elettromagnetico, forte e
debole, di cui si cerca l'unificazione) costituiscono più che
due entità contrapposte,
due modi di attuarsi, se vogliamo due
"specie", di un'unica realtà, dotata di massaenergia, che ne è in certo modo il "genere".
Udine, 15 maggio 2008
13
giuseppina trifiletti
Dal punto di vista della tradizione filosofica,
sembrerebbe naturale chiamare questo unico
"genere" con il nome di "materia", intendendo che
esso può attuarsi nelle due specie che
obbediscono alle due statistiche quantiche:
i "fermioni", dotati di spin semintero, che
rappresentano la materia nel senso classico del
termine
e i "bosoni", di spin intero, che costituiscono il
campo d'interazione.
Udine, 15 maggio 2008
14
giuseppina trifiletti
Dal punto di vista della fisica è più
usuale denotare questo "genere"
come "campo", che si attua nelle
due "specie" dei "campi fermionici"
e dei "campi bosonici".
Udine, 15 maggio 2008
15
giuseppina trifiletti
Non
bisogna
confondere
il
concetto di materialità con quello
di impenetrabilità.
Consideriamo una radiazione di
energia: essa è compenetrabile,
ma non è immateriale.
Udine, 15 maggio 2008
16
giuseppina trifiletti
Strumia-Teoria della Relatività
Udine, 15 maggio 2008
17
giuseppina trifiletti
SPIN
In italiano vuol dire rotazione. Se il moto di una pallina è descritto dalle
equazioni di Newton, lo spin è una grandezza fisica legata alla rotazione
della pallina attorno al proprio asse (momento angolare). Lo spin in
fisica atomica è stato introdotto per la prima volta per gli elettroni, i quali
però, in certe condizioni, non somigliano affatto alle palline della fisica
classica.
In ogni caso, in meccanica quantistica, lo spin è ancora definito come
momento angolare, ma si perde ogni riferimento alle rotazioni usuali. Le
rotazioni legate allo spin avvengono in uno spazio astratto.
Il momento angolare di spin è stato introdotto perché gli elettroni
mostravano un grado di libertà in più rispetto a quelli aspettati e, come è
usuale in meccanica quantistica, è quantizzato, cioè può assumere solo
valori multipli di un'entità fondamentale con le dimensioni fisiche di un
momento angolare:
Udine, 15 maggio 2008
18
giuseppina trifiletti
la costante di Planck h = 6,63 10-27 erg s.
In particolare, l'elettrone può avere solo spin uguali in valore
assoluto a h/4π. Si dice che l'elettrone ha spin 1/2,
sottintendendo 1/2 del quanto elementare h/2π.
Lo spin ha un ruolo fondamentale nella meccanica
quantistica, le particelle si dividono infatti in due grandi
categorie: quelle che hanno spin semintero come l'elettrone
(1/2, 3/2, ecc.) e quelle che hanno spin intero (1, 2, ecc.).
Le prime si chiamano fermioni, in onore di Fermi
le particelle di spin intero si chiamano bosoni in onore del
fisico indiano Bose.
Udine, 15 maggio 2008
19
giuseppina trifiletti
Nella prima versione della meccanica quantistica lo spin
dovette essere aggiunto, per così dire, "a mano", altrimenti
non si sarebbero spiegati alcuni fenomeni atomici e alcuni
esperimenti.
Solo dopo che Dirac introdusse nella teoria quantistica le
correzioni imposte dalla relatività ristretta di Einstein
(quando l'elettrone si muove a velocità confrontabili con
quella della luce) lo spin emerge in modo naturale
dall'equazione di Dirac, generalizzazione relativistica
dell'equazione di Schrödinger della meccanica quantistica
ordinaria.
http://www.torinoscienza.it/parole/apri?obj_id=400
Udine, 15 maggio 2008
20
giuseppina trifiletti
Principio di esclusione di Pauli
Ciascun elettrone, presente in un certo
atomo, deve differire da tutti gli altri elettroni
almeno per un numero quantico.
Tutti i fermioni obbediscono al PRINCIPIO
DI ESCLUSIONE DI PAULI.
Udine, 15 maggio 2008
21
giuseppina trifiletti
In altre parole
In un sistema di fermioni, le particelle
tendono ad occupare tutti i livelli energetici
disponibili, disponendosi in modo che non
esistano due particelle con la stessa energia.
In un sistema di bosoni, invece, tutte le
particelle tendono a disporsi sul livello di
energia più basso.
Udine, 15 maggio 2008
22
giuseppina trifiletti
PARTIAMO DALL’INIZIO
Udine, 15 maggio 2008
23
giuseppina trifiletti
MASSA INERZIALE E GRAVITAZIONALE
Nella meccanica newtoniana la massa inerziale e la massa
gravitazionale sono due concetti diversi.
La definizione operativa di massa inerziale è diversa,
indipendente, da quella di massa gravitazionale, quindi sono
due grandezze fisiche diverse.
Non c’è motivo di ritenere a priori che non possano esistere
corpi facili da accelerare ma che attirino intensamente altri
corpi
Però l’esperienza ci dice che in natura questo non avviene
mai
Udine, 15 maggio 2008
24
giuseppina trifiletti
L’esperienza ha messo in evidenza che i risultati ottenuti
con la bilancia sono sempre in accordo con i risultati
ottenuti con il confronto delle accelerazioni. Detta mg la
massa gravitazionale di un corpo, il suo peso si può
esprimere come
Fp = mg . g
Per la seconda legge della dinamica, tale forza imprimerà
al corpo una accelerazione inversamente proporzionale
alla sua massa inerziale mi
F = mi . a
Fp /mi = a
a = (mg/mi).g
Udine, 15 maggio 2008
25
giuseppina trifiletti
tale accelerazione, quella con cui cadono gli
oggetti nel vuoto, sarebbe diversa per corpi a cui
corrispondessero diversi valori del rapporto
Massa gravitazionale / Massa inerziale
cioè
mg/mi
Udine, 15 maggio 2008
26
giuseppina trifiletti
il dato sperimentale è che a è la stessa per tutti i
corpi, quindi
mg = mi
quindi
a=g
sarebbe ragionevole aspettarsi che il rapporto mg/mi
dipenda da elementi quali la composizione chimica del
corpo, la sua temperatura o qualche altra caratteristica
fisica del corpo, l’accelerazione in caduta libera sarebbe
allora diversa per oggetti diversi.
Udine, 15 maggio 2008
27
giuseppina trifiletti
IL POSTULATO DI EQUIVALENZA
L’IDENTITÀ
TRA
MASSA
INERZIALE
E
GRAVITAZIONALE È IL POSTULATO SU CUI SI
FONDA L’INTERA TEORIA DELLA RELATIVITÀ
GENERALE DI EINSTEIN
Il significato fisico dell’uguaglianza tra massa
inerziale e massa gravitazionale resta sconosciuto.
La massa è il concetto più criticato della fisica che
“sembra eludere tutti i tentativi di una chiarificazione
completa e di una definizione logicamente e
scientificamente inattaccabile”
MAX JAMMER, STORIA DEL CONCETTO DI MASSA
Udine, 15 maggio 2008
28
giuseppina trifiletti
Relatività Ristretta
come mai il fatto che l’energia
possiede massa e che la massa
rappresenta energia è rimasto
così a lungo allo scuro?
Einstein
Udine, 15 maggio 2008
29
giuseppina trifiletti
L’ENERGIA PESA
Affermano Einstein e Infeld
“A pag. 52 (L’EVOLUZIONE DELLA FISICA) ci
domandammo già una volta se un pezzo di
ferro pesa più quando è rovente di quando è
freddo.
La risposta fu allora: no.
Ora invece è sì.”
Pag 207 di L’EVOLUZIONE DELLA FISICA
Udine, 15 maggio 2008
30
giuseppina trifiletti
Ciò è dovuto al piccolissimo rapporto di scambio
tra materia ed energia.
Paragonata alla massa l’energia è come una
moneta molto deprezzata di fronte ad un’altra di
altissimo valore.
La quantità di calore necessaria per convertire
30000 t di acqua in vapore non peserebbe più di
1g circa!
L’energia è stata considerata così a lungo
imponderabile, semplicemente perché la massa
che essa rappresenta è così piccola!
Udine, 15 maggio 2008
31
giuseppina trifiletti
PERCORSO DI EINSTEIN IN
L’EVOLUZIONE DELLA FISICA
- L’interpretazione meccanicistica
- Il campo:
superamento dell’interpretazione
meccanicistica
- Da questo percorso nasce una nuova
realtà, una nuova idea di materia ed
energia
Udine, 15 maggio 2008
32
giuseppina trifiletti
Il criterio meccanicistico
descrive tutti i fenomeni in base a
forze semplici
agenti tra particelle materiali
Udine, 15 maggio 2008
33
giuseppina trifiletti
La teoria cinetica della materia
Lo sviluppo della teoria cinetica della materia
è uno dei maggiori avvenimenti scientifici,
realizzatosi sotto l’influenza diretta di detto
criterio: il criterio meccanicistico.
Forze dipendenti unicamente dalla distanza
e dirette seconda la congiungente le due
particelle che interagiscono.
Udine, 15 maggio 2008
34
giuseppina trifiletti
Decadenza dell’interpretazione meccanicistica
La prima grave difficoltà: l’esperimento di Oersted.
Questo esperimento è assai interessante almeno per due
motivi:
1.
rivela una relazione tra fenomeni apparentemente
diversi come sono il magnetismo e la corrente elettrica
Udine, 15 maggio 2008
35
giuseppina trifiletti
2.
l’interesse maggiore però deriva dal fatto che la forza
agente tra il polo magnetico e le piccole porzioni di
filo attraverso cui passa la corrente non può giacere
lungo linee congiungenti il filo e l’ago, ovvero tra le
particelle del fluido elettrico in moto nel fluido e i
dipoli magnetici elementari dell’ago.
LA FORZA è PERPENDICOLARE
A QUESTE LINEE DI CONGIUNZIONE
PER LA PRIMA VOLTA CI TROVIAMO IN PRESENZA DI UNA
FORZAAFFATTO DIVERSA DA QUELLA CUI VOLEVAMO
RICONDURRE TUTTE LE AZIONI DEL MONDO ESTERNO, IN
BASE AL PUNTO DI VISTA MECCANICISTICO
Udine, 15 maggio 2008
36
giuseppina trifiletti
Il problema della luce e il problema dell’etere
La luce corpuscolo o onda?
Il tentativo di interpretare i fenomeni naturali partendo da criteri
meccanicistici, condusse all’invenzione di sostanze artificiose
quali i fluidi elettrici e magnetici, i corpuscoli luminosi e l’etere.
La fisica moderna ha attaccato tutti questi problemi e li ha
risolti. Ma dalla lotta impegnata per giungere ad una soluzione
sono sorti nuovi e più complessi problemi.
La nostra conoscenza è oggidì più vasta e più profonda di
quella dei fisici del secolo XIX, ma altrettanto può dirsi dei
nostri dubbi e delle nostre difficoltà.
Einstein e Infeld - L’evoluzione della fisica – pag 131, Boringhieri
Udine, 15 maggio 2008
37
giuseppina trifiletti
Campo ed etere
etere interpretazione meccanicistica
campo oltre l’interpretazione meccanicistica
Per il fisico dei primi anni del secolo XIX, il campo non esisteva. Egli
considerava come reali soltanto la sostanza e le sue modificazioni.
Al principio il concetto di campo non fu altro che uno strumento volto ad
agevolare la comprensione dei fenomeni dal punto di vista meccanico. Ma
nel nuovo linguaggio del campo l’essenziale per la comprensione
dell’azione a distanza fra due cariche, è la descrizione del campo
interposto fra di esse e non già le cariche stesse.
Fu così che il campo lasciò in ombra la sostanza. Si era creata una nuova
realtà, un nuovo concetto che non trovava posto nello schema
meccanicistico.
Per il fisico moderno il campo elettromagnetico è altrettanto reale quanto la
sedia su cui egli siede.
Udine, 15 maggio 2008
38
giuseppina trifiletti
E = mc2
Che cosa significa?
L’energia sotto tutte le sue forme
si comporta come la materia.
Secondo la Teoria della relatività non c’è differenza
essenziale tra massa ed energia
L’ENERGIA POSSIEDE MASSA
E LA MASSA RAPPRESENTA ENERGIA
Einstein e Infeld
L’evoluzione della fisica
Udine, 15 maggio 2008
39
giuseppina trifiletti
CAMPO E MATERIA
L’interpretazione meccanicistica è fallita
perché era impossibile spiegare tutti i
fenomeni ammettendo che forze semplici
agissero su particelle inalterabili.
Il primo tentativo di superare il criterio
meccanicistico introducendo il concetto di
campo si mostrò assai fertile specie
nell’ambito dei fenomeni elettromagnetici
Ci troviamo ora di fronte a due realtà: la
materia e il campo.
Einstein e Infeld
Udine, 15 maggio 2008
40
giuseppina trifiletti
Einstein e Infeld
Udine, 15 maggio 2008
41
giuseppina trifiletti
La Teoria della relatività accentua l’importanza che nel dominio della
fisica spetta al concetto di campo. Finora però non siamo riusciti a
formulare una fisica basata sul puro campo. Per il momento dobbiamo
ancora ammettere la consistenza del binomio campo e materia.
Einstein e Infeld
Udine, 15 maggio 2008
42
giuseppina trifiletti
I QUANTI DI LUCE E LE ONDE DELLA MATERIA
Udine, 15 maggio 2008
43
giuseppina trifiletti
Einstein e Infeld
Udine, 15 maggio 2008
44
giuseppina trifiletti
La Teoria Quantistica dei Campi
La teoria quantistica dei campi si propone di
descrivere la fisica dei fenomeni che si
svolgono su scala atomica, tenendo conto della
teoria geometrica dello spazio–tempo introdotta
dalla relatività generale. In parole povere si
tratta
dell’unificazione
della
meccanica
quantistica con la meccanica relativistica.
È una teoria che non ha risolto ancora tutti i
problemi che si presentano.
Udine, 15 maggio 2008
45
giuseppina trifiletti
Conflitto tra TR e MQ
ATTENZIONE!
Le equazioni delle due teorie, la Teoria
della Relatività e la Teoria Quantistica, se
combinate, iniziano a tossicchiare e a
fare fumo come una vecchia carretta.
Udine, 15 maggio 2008
46
giuseppina trifiletti
il conflitto tra relatività generale e meccanica
quantistica grida che abbiamo bisogno di un
livello di comprensione più profondo.
O dobbiamo forse concludere che l'universo è
scisso, a livello fondamentale, e che sono
necessarie delle leggi per gli oggetti grandi e
delle altre leggi (incompatibili con le prime) per
quelli piccoli?
Udine, 15 maggio 2008
47
giuseppina trifiletti
MA IL CONFLITTO PRINCIPALE
IL PARADOSSO EPR,
oltre la materia e l’energia?
Ricapitoliamo e semplifichiamo: su una delle due
particelle che provengono da una fonte comune
viene condotta una "alterazione" di stato, Bell ha
dimostrato che la seconda particella che sta
viaggiando alla velocità della luce in direzione
opposta alla prima, viene inspiegabilmente
anch'essa alterata a causa della modificazione
imposta alla prima particella.
Udine, 15 maggio 2008
48
giuseppina trifiletti
Per i fisici quantistici, ciò presenta un paradosso al
tempo stesso eccitante e fonte di inquietudine. La
velocità della luce è un valore assoluto, una
costante universale irrefutabile che non può
essere negata: e allora com'è possibile che una
particella alteri lo stato dell'altra quando una
comunicazione tra le due è impossibile?
La ricerca di una risposta a questo interrogativo ha
tormentato i fisici fin da quando il test venne ideato
negli anni Sessanta. Esistono numerose
spiegazioni, ma quella che trova più seguito
sembra essere la seguente: se alcune particelle
subatomiche sono state insieme, esse conservano
un'«affinità» permanente che sembra in qualche
modo trascendere le limitazioni fisiche.
Udine, 15 maggio 2008
49
giuseppina trifiletti
Tutto questo comunque porta all'esistenza di
un conflitto fondamentale tra le modalità di
analisi del mondo fisico:
le Teorie della Relatività, infatti, impongono,
un limite di velocità al trasferimento delle
informazioni,
mentre la Meccanica Quantistica suggerisce
che in determinate situazioni è possibile
superare questo limite di velocità?
Udine, 15 maggio 2008
50
giuseppina trifiletti
In un convegno internazionale di fisica tenutosi in Italia ad
Amalfi il 7 maggio 1984 il discorso di John Bell si concluse
così: Siamo in presenza di una evidente incompatibilità, al
livello più profondo, tra i due pilastri su cui si basa la
scienza contemporanea, (Teoria della Relatività e
Meccanica quantistica) .
Attendo pertanto con piacere quelle tavole rotonde in cui
lasceremo da parte gli sconvolgenti dettagli tecnici degli
ultimi sviluppi per riflettere su questa strana situazione.
Forse una vera sintesi tra la Meccanica quantistica e le
Teorie della Relatività non ha bisogno solo di progresso
tecnico ma di un radicale rinnovamento concettuale."
http://www.performancetrading.it/Documents/LaRealta/LaR
_TeoremaBell.htm
Udine, 15 maggio 2008
51
giuseppina trifiletti
BIBLIOGRAFIA
A. Einstein – L. Infeld: L’evoluzione della fisica
Universale scientifica Boringhieri
Caldirola Casati Tealdi: Corso di fisica per i Licei
Scientifici
http://www.ciram.unibo.it/~strumia/presentazioni/Materia/I/I.html
MATERIA
http://matematica.unibocconi.it/dossiermajorana/majoranabiblio.htm
Maiorana tra realismo e astrazione
Udine, 15 maggio 2008
52
giuseppina trifiletti
E = mc2
MA DAL DIRE AL FARE …
Ma, in pratica, prima la materia o l’energia?
Udine, 15 maggio 2008
53
giuseppina trifiletti
N. G. Roegen ha dedicato parte dei sui studi per
evidenziare un dualismo esistente per le leggi fisiche
dell'entropia.
Queste possono essere descritte come segue:
a) nessun lavoro meccanico è ottenibile senza
impiego di energia,
b) nessun lavoro meccanico è ottenibile senza che
parte dell'energia si degradi in forma non disponibile;
c) nessun sistema reale può essere completamente
depurato
dell'energia
non
disponibile
(non
utilizzabile).
Udine, 15 maggio 2008
54
giuseppina trifiletti
Nel caso della materia possiamo affermare:
nessun lavoro meccanico è ottenibile senza impiego
di materia,
nessun lavoro meccanico è ottenibile senza che parte
della materia si degradi in una forma non
disponibile, e
nessuna sostanza o materiale può essere
completamente depurata degli elementi che la
contaminano
(non possiamo riportare la materia dopo i cicli di
utilizzo esattamente nelle condizioni originarie).
Udine, 15 maggio 2008
55
giuseppina trifiletti
In un solo concetto:
la
materia
disponibile
si
degrada
ininterrottamente e irreversibilmente in
materia non disponibile (ossia non più
utilizzabile): la legge dell'entropia vale
anche per la materia e non solo per
l'energia.
Udine, 15 maggio 2008
56
giuseppina trifiletti
“La lezione importante dalle considerazioni
precedenti è che per la descrizione completa
dei fenomeni macroscopici dobbiamo tener
presente
anche ciò che accade alla materia,
e non solo ciò che accade all'energia.”
Udine, 15 maggio 2008
57
giuseppina trifiletti
