Introduzione alla Fisica Moderna
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Introduzione alla Fisica Moderna: la descrizione della realta' oltre la percezione umana Un po' di notazione: 10 =100000 ­5 10 =0.00001 5 10 m=1 mm 10­6 m=1 µm (micrometro) 10­9 m=1 nm (nanometro) 10­6 s=1 µs (microsecondo) 10­9 s=1 ns (nanosecondo) ­3 103 m=1 Km (chilometro) 106 m=1000 Km 109 m=1000000 Km 1012 m=1000000000 Km Le 4 interazioni fondamentali e la stabilita' dell'Universo corpo1 corpo2 mediatore Gravitaz. Elett.Mag. Debole Forte ∞ ∞ 10-16/10-17m 10-39 10-2 10-13 gravitone? (fotone) W/Z Universo molecole stelle 10-15m 1 gluone nuclei Partiamo per il viaggio... Il mondo dell'Uomo: 1metro – 10000 chilometri 1centesimo di secondo – 10000 anni 0 gradi – 10000 gradi (Celsius) luce visibile: rosso­violetto (10 15 Hz) 3 dimensioni + 1 temporale scorrimento temporale: causa­effetto 1 metro Le forze gravitazionali e elettromagnetiche governano le nostre vite La piu' piccola forma di vita che conosciamo e' la CELLULA: Le forze elettromagnetiche AMEB permettono l'esistenza del mondo A microscopico GLOBULO ROSSO STREPTOCOC CO 1 micrometro=10­6 m Ogni cellula ed ogni materiale inorganico e' composto da MOLECOLE. FULLERENE DNA ETILE NE 10­20 nanometri=10­8 m DIAMANTE NICOTINA STREPTOMICINA Ogni molecola e' costituita da ATOMI Il mondo atomico: Un ATOMO e' composto da un NUCLEO di carica elettrica positiva e da ELETTRONI di carica elettrica negativa Le forze elettromagnetiche permettono l'esistenza del mondo atomico 10­10 m=0.1 nanometri Energia di legame: 10 ­10000 ev = Temperatura: 105 – 108 gradi Crisi della Fisica Classica Gli elettroni fatti passare attraverso una fenditura generano diffrazione, come fossero pura luce. Eppure sono corpi con massa MATERIA=ONDA Un ATOMO con elettroni che girano intorno al nucleo non puo' esistere: gli elettroni ruotando perderebbero energia e cadrebbero sul nucleo Realta' QUANTISTICA La descrizione quantistica e' valida anche ai nostri ordini di grandezza mentre la visione classica non e' valida nel nano mondo: NOI PERCEPIAMO UN'APPROSSIMAZIONE DELLA REALTA' Un oggetto e' in realta' una distribuzione di probabilita' NON HA LIMITI SPAZIALI, si estende all'INFINITO Non hanno piu' significato i concetti di POSIZIONE occupazione dello spazio contatto VELOCITA' MATERIA: la massa di un oggetto e' solo cio' che percepiamo di una nube di probabilita' infinitamente estesa MATERIA­RADIAZIONE: i corpi sono descrivibili tramite onde e E=MC2 ENERGIA=MATERIA La materia si trasforma in energia pura e viceversa Il NUCLEO di un atomo Il NUCLEO: Un NUCLEO ' composto da un protoni di carica elettrica positiva e da neutroni di carica elettrica neutra Le forze nucleari permettono l'esistenza del mondo subatomico 10­15 m= 1 fermi Energia di legame: 1000000 ev = Temperatura: 1010 ­ 1011 gradi La materia e' vuota!!! Tutta la massa dell'atomo e' concentrata nel suo nucleo. E' come se tutta la massa di Torino fosse concentrata in una mela! Cio che a noi sembra materia densa (rocce, metallo, noi stessi) e' in realta' quasi vuota Non ci compenetriamo solo grazie alla repulsione delle nubi elettroniche MATERIA = ENERGIA La massa di un nucleo non e' la somma delle masse dei suoi protoni e neutroni 10­14 m= 1 fermi Parte della materia Energia di legame: 1000000 ev si converte = in energia di legame Temperatura: 1010 ­ 1011 gradi Dentro il NUCLEONE: i QUARKS protone Il NUCLEONE: Un NUCLEONE ' composto da un quarks di tipo up e down neutrone 10­15 m= 1 fermi L' interazione forte permette l'esistenza dei nucleoni (protoni e neutroni) Energia di legame: > 170 Mev = Temperatura: 1012 ­ 1013 gradi MODELLO STANDARD 2 cariche (+ e ­)cariche opposte si attraggono 3 colori colori uguali si attaggono 1 massa le masse si attraggono (quasi) sempre le SIMMETRIE della MECCANICA QUANTISTICA: SIMMETRIA LEPTONI-ADRONI Possiamo ottenere ogni particella componendo tra loro i QUARKS La natura sembra essere simmetrica Per ogni particella esiste il suo opposto: antimateria tutte particelle che conosciamo sono BARIONI (3 quark) o MESONI (coppie quark-antiquark) in verita' il modello standard e' piu' esteso: l' ANTIMATERIA gli ACCELERATORI: microscopi per lo studio delle simmetrie LINAC PS SPS LHC una macchina da 300000 Km/s elio a -200°C per... ...arrivare a 10 milioni di miliardi di grad .. materia e antimateria accelerate alla velocità della luce.. ATLAS al CERN: la cavità ATLAS al CERN: i magneti toroidali Non sono mai stati osservati quarks liberi urti a velocita' luce al CERN: T=1012 - 1013 gradi 1- segnali dell'esistenza dei quarks 2 – materia come nei primi istanti di vita dell'universo ATLAS: simulazione di evaporazione di BUCO NERO E poi? Torniamo all'uomo... Il mondo dell'Uomo: sulla Terra da 6 milioni di anni appena velocita' max per un uomo: 2000­3000 Km/h masse: 1000 tonnellate temperature: fino a 2000-3000 gradi Facciamo il primo passo fuori casa... 1 metro Il pianeta TERRA... Un po' di numeri: massa: 6*1024 Kg densita': 3 Kg/dm3 pressione aria: 1 Kg/cm2 massa aria: 1018 Kg temperatura: da ­50 a 70 gr. Eta': circa 5 miliardi di anni velocita' rot: 1000 Km/h Passiamo al nostro vicino di casa... 12000 Km La LUNA... massa: 1024 Kg distanza da Terra: 400000 Km temperatura:da ­200 a 200 gr. Eta': circa 5 miliardi di anni velocita' rivoluzione: 1 Km/s tempo luce a Terra: 1 secondo 3500 Km Il SISTEMA SOLARE... 5 miliardi di Km La stabilita' dei sistemi di pianeti e stelle e' dovuta all' INTERAZIONE GRAVITAZIONALE 150 milioni di Km Il sistema solare e' vuoto: ­ tutta la massa e' concentrata nel SOLE ­ la terra dista dal sole 10000 volte le sue dimensioni ­ la LUCE dal sole impiega 8 minuti a arrivare a TERRA ­ per attraversare l'intero sistema solare 15 ore Qualche numero: ­ massa: 1030 Kg= 1 milione di Terre Il SOLE... ­ temperatura nel nucleo: 14 milioni di gradi ­ potenza emessa: 4*1026 W=1018 centrali nucleari ­ velocita' della Terra intorno al sole: 100 Km/s Nonostante questi numeri, il SOLE e' una stella di media grandezza Eta': 5 miliardi di anni Vita supposta: 5 milardi di anni 110 volte la Terra=1300000 Km=109 metri Dalla nube prestellare FORMAZIONE di una STELLA... La compressione gravitazionale genera un aumento di temperatura fino all'ignizione della FUSIONE TERMONUCLEARE Alla STELLA Nel NUCLEO: ­ Raggio=100000Km ­ T=14 milioni di gradi ­ Densita'=150 Kg/dm3 (150 volte l'acqua) ­ Tempo di uscita della luce= 1 milione di anni ­ Pressione = 1015 atm VITA di una STELLA FUSIONE TERMONUCLEARE: Ad ogni fase di compressione gravitazionale la temperatura sale e si formano elementi piu' pesanti Equilibrio tra forza gravitazionale <­> radiazione da fusione termonucleare In SUPERFICIE ­ T=6000 gradi TUTTO CIO' CHE ESISTE NEL NOSTRO SISTEMA SOLARE E' STATO PRODOTTO PER FUSIONE TERMONUCLEARE DA STELLE PRIMORDIALI PIU' DI 5 MILIARDI DI ANNI FA H­>He­>C­>N­>O fino al ferro Fe il SOLE TRASFORMA MASSA IN ENERGIA Una stella con massa come quella del sole non ha abbastanza energia gravitazionale per bruciare fino a produrre ferro. Spento il bruciamento del Carbonio non c'e' piu' radiazione che contrasti il COLLASSO. MORTE di una STELLA: NANE BIANCHE R=1000­10000 Km Massa=1030 Kg= 1 milione di Terre La stella diventa grande come un pianeta! Densita'=1000 tonnellate/dm3=1 milione MORTE di una STELLA: NEUTRON STARS Una stella con massa 1.5 volte quella del sole ha un energia gravitazionale tale da far collassare gli elettroni sui nuclei. ­ i protoni diventano neutroni ­ gli elettroni si annichilano ­ vengono emessi neutrini Una stella massiva puo' esplodere per instabilita'. Nell'esplosione si formano gli elementi pesanti dal ferro fino al Plutonio, all'Uranio e oltre. SUPERNOV AE e BUCHI NERI Una stella con massa 2 volte quella del sole ha un energia gravitazionale tale da far continuare il collasso dopo la formazione della stella di neutroni. TUTTO L'ORO, ARGENTO, RAME, TITANIO, URANIO, PLUTONIO NEL NOSTRO SISTEMA SOLARE E' STATO Si forma un BUCO NERO ­ densita' infinita ­ velocita' di fuga dal buco NEUTRINI il relitto di una SUPERNOVA: una potente sorgente di neutrini i SNUCLEI GALATTICI ATTIVI: le più potenti sorgenti dell'universo neutrini oscillano da uno stato ad un altro: sono interferenze di onde-particell di massa diversa: SIMMETRIA di SAPORE la caccia al neutrino: GRANSASSO LVD GRANSASSO BOREXINO Esperimenti in acqua o ghiaccio: ICECUBE, KM3, NEMO SUPERKAMIOKANDE PIERRE AUGER OBSERVATORY: i raggi cosmici di altissima energia .un'area di 4000 km quadrati er catturare rarissimi eventi i altissima energia... e di luce Cerenkov... rivelatori di fluorescenza... un tramonto nella pampa CERN SPS – OPERA GRAN SASSO: un viaggio sotterraneo di 700 Km CNGS La nostra galassia: la VIA LATTEA Sistema solare L'IMMAGINE di una STELLA dall'altro capo della GALASSIA ci arriva con 90000 anni di ritardo R=30Kps=90000 anni luce= R=8.5Kps=30000 anni luce =1022 metri Massa=1041 Kg= =100 miliardi di stelle La stabilita' della galassia Velocita' di rotazione del sole intorno al nucleo galattico= =1 giro in 200 milioni Ammassi Globulari anni=200 Km/s Vuoto­> Nucleo Galattico densita' media=10­24 kg/dm3 Bracci a spirale i NUCLEI GALATTICI ATTIVI: le più potenti sorgenti di raggi cosmici i QUASAR: nuclei galattici supermassicci primitivi si osservano ad altissimo redshift -> sono molto antichi: fino a 3 miliardi di anni Noi ne riceviamo la luce oggi. 'accrescimento di un buco nero supermassic poteva produrre, nell'Universo primordiale, conversione diretta di materia in energia on flussi elettromagnetici (X, gamma, visibil paragonabili a 1000 galassie attuali Misurando la velocita' di rotazione delle galassie si scopre che la materia visibile non basta a spiegarne la velocita' Urto tra due sistemi di galassie avvenuto 150 milioni di anni fa: la massa che spiega l'effetto di LENTE GRAVITAZIONALE Deve esistere materia non visibile che spiegi tale effetto: MATERIA OSCURA d=100Mps= =300 milioni di anni luce= =1025 metri Le galassie risentono dell'interazione gravitazionale mutua e si organizzano su grandi scale in strutture: AMMASSI di GALASSIE d=10Mps= =30 milioni di anni luce= =1024 metri d=1Mps= =3 milioni di anni luce= =1023 metri Cio che chiamiamo Universo e' in verita' lo spazio­tempo occupato dalla luce a partire dal BIG BANG 15 m i la rd i d i a nn i l uc e Nessuna osservazione puo' essere fatta al di la' di tali confini. Solo supposizioni basate su leggi matematiche e osservazioni dell'Universo locale L'UNIVERSO R=5Gps=15 milardi di anni luce= =1027 metri Massa=1052 Kg= =100 miliardi di galassie Densita' media= 10­29 Kg/dm3 Temperatura media= ­270 gradi E poi? Partiamo per il viaggio INDIETRO NEL TEMPO... Il nostro UNIVERSO oggi: T=­270 gradi=1 meV R=15 miliardi di anni luce densita'=10­29 Kg/dm3 Era della Materia : il fondo cosmico a MICROONDE Il nostro UNIVERSO quando aveva 300000 anni: T= 10000 gradi=1 eV R=300000 anni luce= =1021 metri densita'=10­18 Kg/dm3 In quell'era la luce si disaccoppia dalla materia e giunge fino a noi la FOTO dell'Universo di allora. il FONDO di RADIAZIONE COSMICA: una foto della (APPARENTE) OMOGENEITA' dell'UNIVERSO L'Universo “respira” e proviene da un'UNICA SINGOLARITA' Le fluttuazioni di temperatura a diverse scale ci dicono che l'universo era (ed e') NON OMOGENEO, ed il fenomeno si ripete cambiando scala di osservazione (formazione pianeti e galassie). l'universo era costituito da “gocce” di luce materia isolate e oscillanti per interazione gravita'­ radiazione: possiamo osservare il “respiro” dell'Universo mediante la fluttuazione temporale la disomogeneità dell'Universo ha permesso la formazione di pianeti e galassie il fondo di radiazione cosmica a microonde e' energia elettromagnetica residua primordiale diffusa in tutto l' Universo e responsabile della temperatura attuale: 2.7 K (-270 gradi centigradi) la disomogeneità si è probabilmente formata durante il PERIODO INFLAZIONARIO a causa di una fortissima accelerazione dell'Universo in espansione n campo di forza espande in 00000000000000000000000000000001 secondi Universo di 000000000000000000000000000000 volte! engono generati 000000000000000000000000 Universi he non entreranno mai piu' in contatto! nostro Universo rimane PIATTO. La Teoria della Relativita' prevede che materia-tempo-energia siano correlate. La materia puo' curvare lo SPAZIO. Il nostro Universo e' piatto. LOCALMENTE E' INCURVATO DALLA PRESENZA DI GRANDI MASSE: BUCHI NERI E STELLE DI NEUTRONI: LA LUCE CURVA per seguire la metrica curva! ciò che rende curvo lo spazio è la densità di massa energia presente: ...oggi l'Universo ha ricominciato ad accelerare: l'ENERGIA OSCURA Era della Radiazione : NUCLEOSINTESI PRIMORDIALE Il nostro UNIVERSO quando aveva 2­20 minuti: T= 10 miliardi gradi=1 MeV R=50 – 500 anni luce =1018 – 1019 metri densita'=100 Kg/dm3 In quell'era l'energia della luce non permette la formazione di atomi ma permette quella dei nuclei di elio. L'Universo e' una zuppa di particelle. Il 25% dell'elio che esiste e' stato prodotto 15 miliardi di anni fa a 10 miliardi gradi. Era dell'annichilazione dell'ANTIMATERIA Il nostro UNIVERSO quando aveva 10 secondi ­ 1 milionesimo di secondo: T= 1011­1013 gradi= =2 MeV­ 1GeV R=4 anni – 1 giorno luce= =1017 ­ 1013metri densita'=103 – 1017 Kg/dm3 L'energia della luce e' uguale alla massa delle coppie paritcella­antiparticella. la (A)SIMMETRIA MATERIA-ANTIMATERIA Il nostro UNIVERSO quando aveva 10 secondi ­ 1 milionesimo di secondo: T= 1014 gradi=10GeV R=10 minuti luce= =100 milioni di Km (come il sistema solare oggi!) densita'=1018 Kg/dm3 L'energia della luce e' uguale alla massa delle coppie quark­antiquark. Quark­Antiquark­Luce formano un plasma Era dei QUARK Energie residue dalla storia dell'Univers SuperSimmetria Rottura Gravità - Forza Fort Rottura Materia-Antimater Rottura ElettroDebole Formazione del fondo di radiazione a microonde disomogeneità dell'Universo: il periodo INFLAZIONARIO ROTTURA DELLE SIMMETRIE: le FORZE si differenziano ROTTURA ELETTRODEBOLE Il nostro UNIVERSO quando aveva 10­32 secondi ­10­11 secondi: T= 1027­1015 gradi= =500GeV­1023 eV R=2 minuti luce ­ 1 cm! Densita'=1065 Kg/dm3 La forza elettrica e nucleare debole si dividono Tutto l'UNIVERSO e' contenuto in 1 cm! Il periodo INFLAZIONARIO: un ESPANSIONE veramente VELOCE Il nostro UNIVERSO quando aveva 10­33 secondi La materia e' cosi' densa che la GRAVITA' diventa REPULSIVA. Tutto l'UNIVERSO e' un campo di forze che si espande esponenzialmente molto piu' veloce della LUCE. Parti di UNIVERSO vengono lanciate a velocita' ultraluce lontane le une dalle altre Si formano 1024 universi con caratteristiche diverse e che non sono in contatto tra loro ROTTURA INTERAZIONE FORTE Il nostro UNIVERSO quando aveva 10­35 secondi T> 1028 gradi=1024 eV R non definibile ­> periodo inflazionario Densita'=1075 Kg/dm3 La forza nucleare forte e la gravitazionale si dividono 10­43 secondi 10­37 metri da Fluttuazioni Quantistiche (indeterminazione di Heisenberg) si generano Universi con leggi fisiche diverse pronte per l'eiezione durante l'INFLAZIONE La Meccanica Quantistica e la Relativita' non possono dirci nulla di cosa e' successo prima Un'ipotesi sul mondo sub-sub nucleare stringhe aperte stringhe chiuse ogni oggetto reale è una corda unidimensionale che vibra ad una definita frequenza in un mondo a 10 dimensioni le stringhe chiuse possono uscire dal nostro mondo 3+1 dimensionale: la gravità rimane distribuita su 10 dimensioni e quindi sembra più debole delle altre forze. le stringhe aperte rimangono legate al mondo in cui vivono: le altre forze sembrano più intense. ... un modo per osservare la presenza di extra dimensioni è cercare un ammanco di energia in un urto tra particelle... ... un segnale che un gravitone è passato nel supermondo ... le dimensioni oltre la 4 devono essere ''arrotolate'' dato che non le vediamo. Ma quante sono? 1 – grande come l'Universo 3 – submillimetriche 6 – grandi 0.000000000000000000000000000001 metri E come sono arrotolate? la topologia del TORO: un'ipotesi di arrotolamento dimensionale il nostro ''mondo'' potrebbe essere quindi qualcosa del genere: ma i tori Y6 sarebbero grandi 0.000000000000000000000000000001 metri e non ci accorgeremmo della loro esistenza ...ma la realtà potrebbe essere ancora più complessa.... ...ad esempio...così.... Le stringhe possono spiegare fino a 1010000000 Universi possibili E allora quanti e quali Universi? You are here Ma esiteranno queste EXTRADIMENSIONI? SE VIVESSIMO IN 2 DIMENSIONIN VEDREMMO DAVANTI A NOI UNA LINEA. UN OGGETTO A 3 DIMENSIONI SAREBBE PER NOI ANCORA UN TRATTO DI LINEA Il RE di Linelandia Il RE di PointLandia ?
