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 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 2 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? 3 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 4 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. 5 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”. 6 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!) 7 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. 8 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 1 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 9 Teoria corretta (Aristotele vs Galileo) 2s t g 10 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. 11 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) 12 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) 13 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 ? 15 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 16 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) 17 Ordini di grandezza delle distanze 18 Dove si fanno queste ricerche? Ad esempio, al CERN di Ginevra Circonferenza = 27 km p p 19 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 ? 20 Le 4 forze fondamentali della natura Modello Standard Relatività generale 21 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...) 22
