Le frontiere della Fisica - Dipartimento di Scienze Matematiche

Le frontiere della Fisica
ovvero
Liceo Scientifico
Marconi, Parma
Il deserto dei Tartari
Sabato, 25 ottobre 2003
1
Enrico Onofri
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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]
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Fisica alla parmigiana (?)
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Le radici
La fisica del XX secolo
Le sfide del 2000
Il dilemma ricerca pura/applicata
Le prospettive per i giovani scienziati
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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, …
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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
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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
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T  Ka
2
4

K
GM
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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.
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• 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/
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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)
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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
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Newton’s Principia
 http://gallica.bnf.fr/
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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”
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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
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La rivoluzione del XX secolo
• Due costanti fisiche
modificano
profondamente il
quadro
apparentemente
consolidato della
Fisica dell’800:
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
c
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Entrambe fissano dei limiti
• Limite assoluto di
velocità
• Limite assoluto di
precisione per misure
contemporanee
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vc
xp  
Et  
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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
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xy  yx
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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 
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Pubblicità
• La storia del CERN e della
Fisica delle particelle nella
seconda metà del XX secolo
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La “vera” storia della scoperta del
DNA
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Simmetrie
• Il tema della simmetria è fondamentale nella
fisica delle particelle subatomiche
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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).
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Le particelle elementari e la nostra
ignoranza
• Higgs
• Super-particelle
• Dark matter
• Struttura in grande dell’Universo
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• 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.
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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?
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Dove non saremmo mai arrivati senza gli elaboratori veloci
•
•
•
•
•
•
Navigazione (astronautica)
Dinamica delle galassie
Dinamica molecolare
Meteorologia
Cartoni animati
Diagnostica medica (TAC, NMR)
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Un piccolo esempio
• Le equazioni di Newton per il sistema solare
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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)
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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
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• 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
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(immagine non in scala)
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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)
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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
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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)
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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).
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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).
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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.
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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, …)
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Galileo
Newton
Pippo Mister X
Bohr e Heisenberg
Fermi
Feynman
Heisenberg
Kepler
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Rosalind Franklin
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Einstein
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