Da Galileo alla fisica moderna - un viaggio oltre il - INFN-LNF

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Galileo Galilei – padre della scienza moderna
- Metodo scientifico nello studio delle leggi della
Natura: esperimenti, elaborazione dati, costruzione
teorica
- applicazione della matematica nello studio dei
processi fisici
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Il metodo scientifico
“Eleganza: Descrivere un numero sempre
maggiore di fenomeni, usando un numero
sempre minore di leggi (o di idee?)”
Osservazione
Ipotesi
Previsione
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Galileo Galilei – oltre il “senso comune”
- Dinamica dei corpi – meccanica – leggi del moto; principio
della dinamica
- Caduta dei gravi (corpi cadono con la stessa legge
indipendentamente del peso)
- L’astronomia (2009 – anno internazionale dell’astronomia;
400 anni Galileo – cannochiale)
- Ottica, idraulica, acustica, magnetismo, termologia
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Galileo Galilei – e la letteratura
- Letteratura : Calvino defini Galileo «il più grande scrittore
italiano di ogni secolo»;
Leopardi «forse il più gran fisico e matematico del mondo»
«magnanimità di pensare e di scrivere» , «precisa efficacia e
scolpitezza evidente» in ambito linguistico , «il primo
riformatore della filosofia e dello spirito umano» ;
Primo Levi: «Galileo era un grandissimo scrittore proprio
perché non era scrittore affatto. Era uno che voleva esporre
quello che aveva visto»
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Quest'opera difende insieme i diritti
della scienza e della cultura, esige
libertà per lo scienziato e per l'uomo di
cultura e affronta, oltre a questioni
scientifiche, anche problemi di ordine
cosmologico e filosofico, portando
ovunque il senso nuovo della scienza
moderna, il nuovo concetto dell'uomo e la
forma nuova nella quale deve delinearsi il
rapporto tra l'uomo e la natura."
Ludovico Geymonat
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F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002
Due “rivoluzioni scientifiche” stanno alla base della
FISICA MODERNA – entrambe occorse nella prima
meta’ del 20esimo secolo.
Tutto cio’ e’ accaduto quando i fisici hanno provato (e
riuscito) di estendere le leggi delle fisica OLTRE
l’esperienza di ogni giorno, oltre il senso comune
Hanno “partorito”:
• La teoria della Relativita’
• La Meccanica Quantistica
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La relatività è collegata alla
misurazione di eventi:
dove e quando essi accadono e
quanto distano tra loro nello spazio e
nel tempo. I suoi principi vengono
applicati nelle trasformazioni di
misure quando si passa da un
sistema di riferimento ad un altro in
moto relativo tra loro
(da qui il nome di relatività)
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Relatività Speciale
(1900  1905)
Einstein, Lorentz, Poincaré
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NEWTON
I. Il tempo assoluto, vero, matematico, in sé e per sua
natura senza relazione ad alcunché di esterno, scorre
uniformemente, e con altro nome è chiamato durata; quello
relativo, apparente e volgare, è una misura (accurata oppure
approssimativa) sensibile ed esterna della durata per mezzo
del moto, che comunemente viene impiegata al posto del vero
tempo: tali sono l’ora, il giorno, il mese, l’anno.
II. Lo spazio assoluto, per sua natura senza relazione ad
alcunché di esterno, rimane sempre uguale ed immobile; lo
spazio relativo è una dimensione mobile o misura dello spazio
assoluto, che i nostri sensi definiscono in relazione alla sua
posizione rispetto ai corpi, ed è comunemente preso come lo
spazio immobile; cosí la dimensione di uno spazio sotterraneo
o aereo o celeste viene determinata dalla sua posizione
rispetto alla terra. Lo spazio assoluto e lo spazio relativo sono
identici per grandezza e specie, ma non sempre permangono
identici quanto al numero. Infatti se la Terra, per esempio, si
muove, lo spazio della nostra aria, che relativamente alla Terra
rimane sempre identico, sarà ora una parte dello spazio
assoluto attraverso cui l’aria passa, ora un’altra parte di esso;
e cosí muterà assolutamente in perpetuo.
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GALILEO
enunciò
l’equivalenza tra
due sistemi di
riferimento inerziali
in moto uniforme
l’uno rispetto
all’altro
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Oggi sappiamo che le trasformazioni
di Galileo valgono però solo per valori
piccoli della velocità
Grandezze che caratterizzano la nostra
vita quotidiana (senso comune)
Se il valore della velocità si avvicina a
quella della luce avvengono degli
effetti “strani”
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Einstein
(1905)
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Einstein
(1905)
Postulati della Relatività Speciale
P1 - leggi della natura sono le stesse in tutti i R.I.
preservato dalle eq. di Maxwell se e solo se
P2 - velocità della luce è la stessa in tutti i R.I.
che spiega il risultato nullo dell’esperimento M & M
eq. di Maxwell  in tutti i R.I.
Etere non esiste
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Contrazione delle lunghezze e la
dilatazione dei tempi
 Un osservatore in quiete in un sistema inerziale
vede accorciato un oggetto che si trova in quiete
rispetto a un altro sistema inerziale in moto
rispetto al proprio sistema
 Un osservatore in quiete in un sistema inerziale
vede dilatarsi l’intervallo di tempo durante il
quale si verifica un fenomeno in un altro sistema
inerziale in moto rispetto al proprio sistema
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Contrazione delle lunghezze
• 10% velocita’ della luce
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Contrazione delle lunghezze
• 86% velocita’ della luce
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Contrazione delle lunghezze
• 99% velocita’ della luce
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Contrazione delle lunghezze
• 99.99% velocita’ della luce
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Descrive il comportamento di
“oggetti” molto piccoli
Principio di indeterminazione
di Heisenberg:
-
Tanto piu’ precisamente conosciamo
la posizione di un oggetto, tanto
meno precisamente conosciamo il
suo impulso
Per la descrizione di oggetti
come l’atomo, e/o ancora piu’
Heisenberg nel 1925, all’eta’ di 24 anni
piccoli (particelle), c’e’
bisogno della meccanica
quantistica.
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Interferenza da due sorgenti
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Interferenza a singola particella
A
Sorgente
B
parete a
2 fenditure
schermo
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Interferenza a singola particella
A
Sorgente
Probabilità
di rivelare
una particella
PA(x)
B
parete
otturatore
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Interferenza a singola particella
A
Sorgente
Probabilità
di rivelare
una particella
PB(x)
B
parete
otturatore
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Comportamento “classico”
A
Sorgente
B
parete
Probabilità
di rivelare
una particella
P(x) = PA(x) + PB(x)
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Interferenza quantistica
A
Sorgente
B
Probabilità totale
di rivelare
una particella
P(x)
Frange di
interferenza
Da quale fenditura passa la particella ? Da entrambe
!
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TELETRASPORTO:
REALTA’ O FANTASCIENZA?
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Cos’è il “teletrasporto”?
Definizione “naïve”: scomparsa di un oggetto da una
posizione e simultanea ricomparsa del medesimo
oggetto in altra posizione dello spazio (trasferimento
senza moto intermedio)
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Marte:
ALICE
A
Luna:
BOB
2 fotoni nello stato
H
A
V
B
V
A
H
B
B
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“Chi non resta sbalordito dalla meccanica
quantistica evidentemente non la capisce”
Niels Bohr, 1927
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L’atomo all’inizio del ‘900
L’atomo di Thompson
L’atomo quantistico
L’atomo di
Rutherford e
Bohr
Il nucleo oggi
La struttura del nucleo
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Le forze
fondamentali
4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !!
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1029
1040
1043
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Il Modello Standard
Leptoni
Quarks
Fermioni
Bosoni
u c t g
d s b g
up
down
charm
top
strange bottom
gluone
fotone
ne nm nt W
e-neutrino m-neutrino t-neutrino
e m t
elettrone
muone
tau
bosone
Z
bosone
Bosone
di Higgs
?
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ASTROPARTICELLE
>106 Km
Studio Diretto
300 Km
40 Km
Atmosfera
Studio
Indiretto
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I collisori materia-antimateria
ADONE a Frascati nel 1969
DAFNE
LEP
al CERN
dia Ginevra
1988
ADA
Frascati 1959
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LHC al Cern di Ginevra nel 2009
abell2218 blu
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La Storia dell’Universo
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Universo in espansione, dal piccolo
al grande, dal caldo al freddo
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…e quindi…
• Semplici
leggi
fisiche
predicono che le regioni piú o
meno
dense
emettono
radiazione piú o meno
calda…
• Ma allora, l’immagine della
radiazione di fondo è una
fotografia
delle
strutture
create dal Big Bang! Proprio
l’immagine della Terra ci fa
vedere le sue strutture!
• Subito dopo la scoperta, parte
la ricerca delle disomogeneitá
nella radiazione di fondo…
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COsmic Background Explorer (COBE)
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Premio nobel per la fisica 2006 a John Mather e George Smoot
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe
(WMAP, in operazione ora)
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Nuove conoscenze:
Big Bang ed Inflazione cosmica
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Nuove conoscenze:
la composizione del cosmo
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Nuove conoscenze:
l’espansione accelera!
• Le osservazioni indicano
che
l’Universo
sta
accelerando
la
sua
espansione
• L’accelerazione sarebbe
iniziata alcuni miliardi di
anni fa
• Questo processo puó
essere ricondotto ad una
forma di energia nello
spazio vuoto, ipotizzata e
poi ritrattata da Einstein
ed altri fisici nell’ultimo
secolo
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Enigmi in cosmologia
• Non sappiamo…
• quali processi hanno preceduto l’Inflazione,
e se essi sono descritti da una trattazione
unificata della gravità e le altre tre forze
conosciute
• che cosa ha generato l’inflazione cosmica
• che cosa è la materia oscura
• cosa sta facendo accelerare l’espansione
cosmica
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Osservare per sapere
• Nei prossimi anni, alcuni enigmi potrebbero essere
svelati dai prossimi esperimenti, grazie al progresso
tecnologico negli ultimi decenni
• Osservazioni della radiazione di fondo ad altissima
risoluzione, il tentativo di vedervi l’impronta di
oscillazioni spaziotemporali impresse al Big Bang
• Miliardi di galassie in mappe 3D dell’universo
• Esplosioni di supernove e raggi gamma per
ricostruire la storia dell’espansione cosmica
• ``Cugini” della materia oscura nel Large Hadron
Collider
• …
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L’unificazione di tutte le forze?
L’unificazione delle forze
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F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002
Questioni Aperte
 Le particelle sono veramente puntiformi ?
Teoria delle Stringhe
ulteriore livello
microscopico: particelle
non sono puntiformi, ma
piccoli (10-33 cm) anelli
oscillanti
diversi stati di oscillazione
della stringa 
particelle diverse
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Fisica LHC (1)
• Cos'è la massa? Sappiamo come misurarla, ma da cosa è
determinata?
• Qual è l'origine della massa? In particolare, esiste il
bosono di Higgs??
• Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del
plasma di quark e gluonisi verificherà l'origine nonperturbativa di una larga frazione della massa
dell'universo?
• Perché le particelle elementari presentano masse
diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il
campo di Higgs?
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Fisica LHC (2)
• Sappiamo ora che il 95% della massa dell‘universo non è
costituita da materia simile a quella che conosciamo da tempo. Di
che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e
l'energia oscura?
• Esistono le particelle supersimmetriche (SUSY)?
• Esistono le extradimensioni previste da vari modelli emersi dalla
teoria delle stringhe? E possiamo "vederle" in qualche modo? – si
BUCHI NERI – per noi UN FATTO POSITIVO1 MAGARI
• Quali sono le caratteristiche della violazione CP che possono
spiegare la dissimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi
assenza di antimateria nell'universo?
• Cosa si può conoscere con maggiori dettagli di oggetti già noti
(come il quark top)?
• Verificare sperimentalmente la teoria delle stringhe?
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Large Hadron Collider
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Large Hadron Collider
Nello stesso tunnel di LEP:
4 esperimenti:
- ATLAS, CMS “general pourpuse”
- ALICE ioni pesanti
- LHCb fisica del b
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Large Hadron Collider
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Large Hadron Collider - ATLAS
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Large Hadron Collider
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Large Hadron Collider - ALICE
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Large Hadron Collider - LHCb
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Large Hadron Collider - CMS
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LHC e ATLAS:
selezione eventi
interessanti
800 milioni di collisioni al secondo. Solo
una decina con “lampi” interessanti.
E’ come cercare un ago in un pagliaio.
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Einstein
“L’esperienza piu’ bella
che possiamo avere e’ il
mistero. E’ l’emozione
fondamentale alla base
della vera arte e della
vera scienza. Chi non sa
cos’e’ e non sa piu’
sognare o meravigliarsi,
e’ come morto, e il suo
sguardo e’ spento.”
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