Introduzione alla Fisica Moderna

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
?