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Introduzione
generale alla fisica
Maximiliano Sioli
CdL Matematica
Che cos’è (e che cosa non è) la fisica
Che cosa studia e che cosa non studia

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Etimo: Fisica (fisis) ≡ Natura
Origini: fino alla fine del 1700 era Filosofia Naturale.
Successivamente avviene la scissione:
Filosofia Naturale
Scienze Biologiche
↔ materia vivente
Scienze Fisiche
↔ materia inanimata
Tale classificazione è chiaramente incompleta ed inadeguata
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 La fisica è una scienza sperimentale (ovvero è basata
sull’esperienza) che studia la Natura sulla base di:
costituenti fondamentali
interazioni tra tali costituenti
 Con questa definizione, la chimica, l’ingegneria, la
biologia, l’astronomia divengono scienze “derivate”,
che applicano le conoscenze di base ai rispettivi
settori.
riduzionismo
 La fisica teorica si occupa di modellizzare la realtà
fisica. In che modo?
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Come si studia la realtà fisica


Descrivere una vasta classe di fenomeni naturali per
mezzo di leggi espresse in forma matematica.
Come funziona:
modellizzazione
Realtà
fisica
misura
Modello
(e.g. atomo di Thomson/
Rutherford/Bohr)
Conferma o rigetto
della teoria
Teoria
fisica
(e.g. elettromagnetismo/
QED)
generalizzazione e
formalizzazione
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 La fisica vuole descrivere, comprendere e prevedere
i fenomeni naturali e la loro evoluzione a partire da
leggi generali e fondamentali.
 La sua capacità di previsione, una volta individuati
concetti e leggi fondamentali, è di tipo deduttivo (come
la geometria). Dopo una fase prematura diviene teoria.
 Deve saper risolvere i problemi a partire da un
sistema completo di leggi fondamentali in modo
inequivoco e non contraddittorio (coerenza).
 Il suo linguaggio è la matematica, in particolare
l’analisi matematica, che si è sviluppata insieme ad essa.
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Una prima suddivisione della fisica
“fondamentale”





Meccanica classica
Termodinamica
Acustica e Ottica geometrica
Elettromagnetismo
Fisica contemporanea: si basa sulla fisica
relativistica e quantistica (inizio XX secolo)
Non esiste una netta distinzione, sono tutti settori intercomunicanti.
Sono collegati tra loro da “approssimazioni” o “generalizzazioni”.
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Un pò di epistemologia:
il metodo sperimentale
 Base della Scienza Moderna. Dopo Galileo, a prescindere
dallo sviluppo delle conoscenze acquisite (dalla scoperta dei
satelliti di Giove alla scoperta dei quarks), il metodo
sperimentale è il presupposto fondamentale della scienza.
 Dato un modello di realtà fisica, viene messa alla prova la
sua capacità predittiva con prove ripetute in “laboratorio”,
dove il fenomeno viene “isolato” rispetto al resto
dell’ambiente (ad es. l’aria)
 Casi particolari: laboratorio ≡ universo
 Cosmologia→ Big Bang prova non ripetibile in
laboratorio (non ancora!)
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Il metodo sperimentale secondo
le prescrizioni di Galileo





L’osservazione in cui si colgono gli aspetti salienti del fenomeno
e si arriva ad una sua schematizzazione
La descrizione che consiste nella formulazione di una legge
matematica che descriva le osservazioni (processo induttivo, da una
serie di casi particolari si arriva ad una affermazione generale)
La formulazione di una ipotesi: ricavare il maggior numero di
conseguenze, di previsioni, a partire dalle ipotesi. Si tratta di un
processo deduttivo, in cui ci si avvale della matematica,
accompagnato da un processo di “sistemazione” della teoria.
L’esperimento: le previsioni ricavate dall’ipotesi vanno sottoposte a
verifica sperimentale (falsificabilità della teoria). In questa fase si
presuppone che un esperimento, ripetuto nelle stesse condizioni,
fornirà sempre gli stessi risultati (entro le incertezze sperimentali!).
La tesi: la legge fisica che esprime i risultati ottenuti.
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Esempio di applicazione del
metodo sperimentale
 L’osservazione: supponiamo di voler studiare il moto di caduta
dei corpi.
 La descrizione: dopo una serie di osservazioni deduco che la
durata del moto a parità di percorso dipende dalla massa del
corpo.
 La formulazione di una ipotesi: più piccola
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è la massa più grande è il tempo impiegato t  M
 Deduzione: corpi aventi la stessa massa impiegano sempre lo
stesso tempo
 L’esperimento: oggetti con stessa massa ma diversa forma
impiegano tempi diversi.
 La tesi: la teoria è stata falsificata e viene rigettata
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Teoria corretta (Aristotele vs Galileo)
2s
t 
g
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Universalità e precarietà delle leggi
della fisica
 Le leggi della fisica, una volta determinate, si
suppone siano valide
 in tutto l’universo e a tutte le scale
 per sempre, dall’origine dei tempi, oggi e lo saranno
anche nel futuro
 Precarietà delle leggi della fisica
 Si può sempre incontrare un fenomeno che non
venga spiegato dalla teoria
 Occorre in tal caso rigettare la teoria e costruirne una
nuova più completa.
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Breve storia della Fisica: la fisica classica




L’antichità classica ha avuto una sua fisica, nella civiltà greca
classica e soprattutto nel periodo ellenistico. Si sviluppano diverse
discipline (meccanica, idraulica, ottica, astronomia…) che hanno i
caratteri di vere teorie scientifiche e generano tecnologie. Segue un
arretramento scientifico dovuto alla civiltà romana.
Dal XII al XVI secolo vi è un risveglio per influenza della cultura
araba, con la nascita delle università, con il rinascimento: vi sono
intuizioni brillanti, nuove conoscenze, ritrovati tecnici ma senza
che vi sia una vera e sistematica scienza fisica.
Dal 1600 al 1900 si sviluppa quella che oggi chiamiamo fisica
classica. Essa comprende la meccanica (del punto, dei sistemi, dei
corpi estesi), la teoria della gravitazione, l’elettromagnetismo e la
termodinamica.
Nel 1905 la relatività speciale riformula e completa il quadro della
fisica classica (il tempo e lo spazio vengono trattati allo stesso
modo)
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Breve storia della Fisica: la fisica contemporanea


Nel XX secolo avvengono due “terremoti” culturali:
 La teoria della relatività generale formula un teoria geometrica del
campo gravitazionale. La geometria dello spazio è modificata dalla
presenza di masse (A. Einstein).
 La fisica quantistica nasce da alcune osservazioni sperimentali fatte
nei primi anni del XX secolo. La fisica classica non funziona nel
mondo microscopico.
 Dal 1900 al 1926: viene introdotta la costante di azione nella
radiazione termica e l’ipotesi del quanto di energia. Dualità ondacorpuscolo (Planck)
 Dal 1926 al 1932: formalizzazione della teoria, ad opera di
Schroedinger, Dirac, Heisenberg e Pauli.
 Dal 1930 in poi: nascita della fisica molecolare, nucleare e
subnucleare, della fisica dello stato solido e della microelettronica.
Oggi: realtà fisica = relatività generale + Modello Standard del
microcosmo (teoria quanto-relativistica di campo)
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Cenni alla fisica atomica, nucleare e
sub-nucleare
A partire dai primi del 1900, si cominciarono a
scoprire i primi costituenti fondamentali.
Con l’arrivo degli acceleratori in breve tempo il
numero delle particelle scoperte esplose
Possibile che
siano tutte
elementari ?
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Analogia con la
chimica:
e, p, n
Ipotesi del quark
(Gell-Mann, Zweig, 1963)
u, d, s
Osservazioni compatibili con stati
formati da 2 o 3 “quark”
Barioni
Mesoni
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Acceleratori di energia sempre crescente,
nascita ed affermazione del Modello Standard
Anni 70’ Glashow, Weinberg, Salam: teoria elettrodebole – quadro
unificato per le interazioni e.m. e debole, previsione di equivalenti
pesanti del fotone: W e Z0
1982 CERN (Rubbia): scoperta delle particelle W e Z0 in un
collider p-p ~300 GeV per fascio
1975-1995 : scoperta dei quark pesanti (c,b,t) e del terzo leptone (t)
Fresh news: 2012, Bosone di Higgs
(o qualcosa che gli assomiglia)
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Ordini di grandezza delle distanze
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Dove si fanno queste
ricerche? Ad esempio,
al CERN di Ginevra
Circonferenza = 27 km
p
p
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La natura allo stato attuale della
conoscenza: il Modello Standard
1970-1980-1990
Il nostro mondo è fatto di
quarks e leptoni legati dalle
forze elettromagnetica,
debole e forte.
E’ una teoria di tipo RQFT:
Relativistic
Quantum (gauge)
Field
Theory
... e la gravità ?
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Le 4 forze fondamentali della natura
Modello
Standard
Relatività
generale
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Fine ultimo della fisica fondamentale



Il fine ultimo della fisica (teorica e sperimentale)
fondamentale è quello di trovare una teoria che
unifichi le quattro forze in un’unica entità.
Questa teoria deve contenere il minor numero
possibile di parametri esterni e prevedere l’esistenza
di tutte le particelle che conosciamo.
Questa teoria deve contenere, come casi particolari,
tutto il resto: Modello Standard e Relatività
Generale (e dunque meccanica classica,
elettromagnetismo, termodinamica etc...)
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