PRIMA DI INIZIARE
Prima di iniziare dobbiamo conoscere qualche parola:
-elettromagnetismo: costituisce una teoria scientifica, che ha permesso di spiegare fenomeni
naturali come l'elettricità, il magnetismo e la luce.
-interazione: indica un fenomeno o processo in cui due o più oggetti agiscono uno sull'altro.
-particella elementare: particella che non è piu' scomponibile in altre.
-particella subatomica: particella scomponibile in altre.
-fisica classica/meccanica classica: fisica che studia i fenomeni che noi stessi possiamo
osservare (la forza di gravita', l'atrito, le forze, la leva,...)
-fisica quantistica/meccanica quantistica: fisica che studia tutte le interazioni che accadono nel
nucleo dell'atomo. Essa non garantisce al 100% cio dedotto, ma fa previsioni su ciò che dovrebbe
accadere. Essa risponde a domande quali: perchè la luce attraversa l'acqua, perchè alcune cose
sono opache altre trasparenti,...
-relativita' generale: teoria che cerca di unire le leggi della luce e della gravità. Quindi si occupa
dell'estremamente grande (es. Galassie, stelle,...).
-struttura spaziale/struttura spazio-tempo: è una sorta di griglia, in cui le linee orizzontali e verticali
rappresentano lo spazio e il tempo. Questa struttura non è statica ma in movimento, e inoltre puo'
essere distorta da una massa. (nella diapositiva 13 c'è un immagine).
L'ATOMO E I SUOI COSTITUENTI
L'atomo è una struttura nella quale è organizzata la materia dell' universo. Più atomi formano le
molecole, mentre gli atomi sono a loro volta formati da costituenti quali protoni, neutroni ed
elettroni. Era così chiamato perché inizialmente era considerato l'unità più piccola ed indivisibile
della materia. Verso la fine dell'Ottocento (con la scoperta dell'elettrone) fu dimostrato che l'atomo
era in realtà divisibile, essendo a sua volta composto da particelle più piccole. Apparte gli elettroni
che sono particelle elementari; i protoni e i neutroni sono formati da Quark (particelle elementari).
Elettroni
carica negativa
quark
Protoni
carica positiva
Neutroni
carica neutra
L' ELETTROMAGNETISMO
Esso costituisce una teoria scientifica, che ha permesso di spiegare fenomeni naturali come
l'elettricità, il magnetismo e la luce, ed è stato il primo esempio in fisica di unificazione di due
diverse forze, quella elettrica e quella magnetica.
Inoltre costituisce una forza che gioca un ruolo importanttissimo nella vita di ogni giorno. Vi siete
mai chiesti come mai quando saltiamo e tocchiamo il suolo non sprofondiamo al centro della
terra?
Grazie all'elettromagnetismo. Infatti tutti gli atomi hanno delle orbite in cui viaggia un elettrone a
carica negativa. Grazie al fatto che cariche uguali si respingono, gli elettroni dei 2 corpi si
respingono, evitando cosi' un viaggio nel sotto-suolo.
Respingimento
tra i 2 corpi
elettromagnetismo
Cariche
uguali si
respingono
QUALI FORZE GOVERNANO IL MONDO?
A livello quantistico e a livello che noi tutti possiamo osservare, esistono 4 forze:
-forza nucleare di interazione forte: tiene unito il nucleo dell'atomo,
-forza nucleare di interazione debole: forza che consete ai neutroni di trasformarsi in protoni
generando radiazinoni.
-elettromagnetismo: tiene unito gli atomi dello stesso tipo e respingendo quelli di un altro corpo.
-forza di gravita': fa si che tutto rimanga ancorato a terra.
Tutti conosciamo almeno un caso in cui le prime 2 forze sono state chiamate come protagoniste:
La bomba nucleare. Quando scindiamo il nucleo dell'atomo si genera una forza pari a 20 mila
tonnellate di tritolo, nel caso della prima bomba larga appena 1,5 metri. Una volta aver rotto il
nucleo la forza nucleare debole fa il suo compito generando radiazioni.
FORZA NUCLEARE
FORTE
FORZA NUCLEARE
DEBOLE
FORMANO
FORMANO
ELETTROMAGNETISMO
Quando è accaduto il Big Bang era presente la super forza.
LA FORZA ELETTRO
DEBOLE
LA SUPER FORZA
INIZIA IL PROBLEMA
Quando si volle unificare elettromagnetismo e gravita', le leggi fisiche di ognune di esse non
corrispondevano nel risultato. Persino Einstein non riusci' a trovare la soluzione, e il tutto era reso
piu' complesso dai cambiamenti repentini nella ricerca scientifica con cui era impossibile stare al
passo. Anche se qualcosa si riusci' a risolvere, i strumenti e i metodi di ricerca furono insufficenti.
Nel 1920 un gruppo di fisici rubo' le luci alla ribalta ad Einstein con una modalita' diversa di
concepire la fisica. La loro visione si avvicinava alla fantascienza. Giudati dal fisico danese Niels
Born scoprirono che l'atomo era cotituito da altri elementi. Venne a galla cosi' un nuovo mistero
quale il funzionamento del nucleo dell'atomo e la sua composizione; le vecchie teorie non
spiegavano cio'. La forza di gravita e l'elettricita' erano insufficenti.
Secondo Einstein il mondo atomico era stabile e prevedibile, ma il suo collega Nils supponeva il
contrario con un mondo pieno di probabilita' e instabilità. Dopo tanti esperimenti si dimostro' che
Einstein aveva torto. Infatti secodo la quantistica si puo solo prevedere la probabilita' che si
verifichi un fatto. Il miglior aggettivo per descrivere questo modo è l'aggettivo pazzo. Tutto è
governato dall'incertezza.
Niels Born
Einstein
1930
Nel 1930 tutte le teorie di Einstein erano arenate mentre la meccanica quantistica svelava i segreti
dell'atomo. Infatti in questo periodo si scopri' la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La
forza di gravità venne sopraffatta dall'elettromagnetismo e dalle forze nucleari. Sorse una
domanda:
Come poteva integrarsi la gravità nella prospettiva quantistica?
Le teorie di Einstein della relativita' generale non valevano piu'. Nessuno riusciva ad immaginare e
come poteva comportarsi la gravita nell'estremamente piccolo. Per molti decenni tutti i tentativi di
riunificazione furono inutili.
Dopo essersi trasferito in New Gersy, Einstein prosegui' la ricerca. Le stampe locali dicevano che
era vicino alla soluzione ma i suoi collegi pensarono che andasse nella direzione inversa. Lui
infatti non conosceva le forze nucleari.
Lui mori' nel 1955 dopo aver ottenuto nulla da tutti quei calcoli. Per molto tempo si penso che non
si potevano unificare tutte quelle forze. Per un po' di anni non ci furono fisici che si occuparono di
cio'. Da allora la fisica è divisa in 2 parti, una usa la relativita per studiare oggetti enormi e pesanti
(galassi, stelle,...) e l'altra usa la meccanica quantistica per studiare gli elementi piu' piccoli.
Galassie
Stella
IL PROBLEMA CONTINUA
La comprensione dell'universo ha fatto negli anni grandi progressi, ma nel cosmo ci sono regni
sconosciuti che non comprenderemo a fondo se non si trova una teoria unificatrice del tutto.
Questo diventa ancor piu' evidente nei buchi neri. L'astronomo tedesco Karl Schwarzschild fu il
primo a parlarne nel 1916. Mentre era in trincea della prima guerra mond. Risolse le equazione
della relativita' in un modo un po strano. Immagino' che una massa enorme come quella di una
stella concentrata in un piccolo punto avrebbe deformato cosi' tanto la struttura dell' universo che
neanche la luce saprebbe sfuggire a causa della sua attrazione gravitazionale. Per molti anni gli
scienziati furono scettici. Oggi invece, i satelliti sono riusciti a captare i buchi neri. A questo punto
sorse una domanda: per scoprire di piu' sui buchi neri, bisogna usare la relativita' generale a
causa della suo peso, o la quantistica a causa che la stella, in questo caso ha dimensioni
minuscole?
Dato che il nucleo è sia pesantissimo, sia piccolissimo bisogna ricorre ad entrambe le teorie. Se si
usano entrambe le formule, si ottengono risultati non logici. A questo punto venne elaborata la
teoria delle stringe che risolse una parte di problemi.
Karl Schwarzschild
CHE COSA SONO LE STRINGHE?
Adesso lo capiremo meglio:
-il quark non sarebbe piu' l'unita base della materia, ma sarebbero composte da stringhe aperte o
chiuse, anelli di energia vibranti miliardi di volte piu' piccole di essi. Le diverse forme e vibrazione
che assume danno colore, caricha, peso e densita' ad ogni corpo. Questa teoria unifica relativita'
e quantistica in un unica formula. Puo' rispondere a domande, quali: come è nato l'universo, quali
sono i suoi principi,...
I supponitori di esse pensano a come poter testare questa teoria, perchè ci sono dei contrari.
Ecco perche non viene considerata una fisica ma una teoria.
elettrone
Atomo
Quark
1968
Un importante scienziato italiano, Gabriele Veneziano, era alla ricerca di una formula che
rappresentasse la forza nucleare forte. Quando la trovo', la pubblico' subito, e divenne famoso. La
formula in questione è stata elaborata 200 anni prima dal matematico Leonhard Euler. Grazie ad
un passa parola, la formula giunse ad un fisico americano: Leonard Susskind che sospetto' che
essa nascondesse qualcosa. Infatti si accorse che la formula trattava anche di una particella non
statica, ma in movimento. Capi che descriveva una stringa elastica. In quegli anni, grazie agli
acceleratori di particelle vennero scoperte una miriade di particelle. Scoprirono anche che le 4
forze potevano essere spiegate anche in particelle. Grazie a tutto cio si trovo una formula capace
di spiegare le forze nucleari e l'elettromagnetismo, esclusa la gravità. Questo modello fu chiamato
modello standard che fece oscurare le stringhe. Piu' i sostenitori di esse cercavano di addentrarisi
in quel mondo, piu' i problemi aumentarono (10 dimensioni, particelle che andavano piu' della
velocità della luce, particelle prive di massa,...)
Gabriele
Veneziano
Leonhard
Euler
Leonard
Susskind
1973 - 1984
Uno degli ultimi teorici della stringhe John Swartz, lottava ancora per capire che cosa era quella
particella priva di massa e di risolvere le anomalie. Per risolverlele abbassò le dimensioni a 4 e
provò a togliere questa particella. Per 4 anni non riusci a scoprire niente, ma un giorno ebbe una
folgorazione: forse le sue equazioni descrivevano la forza di gravità, e se fosse cosi', si doveva
rivedere la dimensione degli anelli di energia vibranti. Si accorse che la particella che aveva
eliminato era un Gravitone (stringha responsabile della gravita' ). Penso cosi' di aver trovato
l'anello mancante del modello standard, ma la comunita' scientifica gliela' rifiutatò. Ma Swatz non
si arrese. Chiese aiuto al suo amico Micheal Green. Per prima cosa cercarono di risolvere le
anomalie.
Nel 1984 il loro lavoro ebbe una svolta. Una volta trovate le formule passarono ai calcoli. In di
esse risultava 496 e nell'altra 496. Dimostrarono cosi', che la teoria era priva di anomalie; quindi
essa fu unificata. La comunita' scietifica la approvò e divennero famosi. Questa teoria fu
battezzata teoria del tutto. Se un atomo venisse ingrandito come il sistema solare, ogni anello
avrebbe le dimesioni di un albero. Le frequenze di vibrazioni delle stringhe comportano massa e
carica dell'oggetto. Però questa teoria comporta una nuova innovazione: piu' di 4 dimensioni.
John Swaetz
Micheal Green
LE DIMENSIONI EXTRA
Come abbiamo appena detto, la nuova teoria proponeva dimensioni extra. Prima di questa
innovazione, se qualcuno diceva cio', veniva considerato matto. Ma la supposizione dell'esistenza
di piu' dimensioni equivale a 100 anni fa. Infatti nel 1919 Theodor Kaluza impotizzo' che nel nostro
universo esisteva un'altra dimensione che non eravamo in grado di vedere. Lui sottopose la sua
idea ad Einstein che la bubblicò. Suppose anche che l'elettromagnetismo si propagava in onde.
Partendo dal suo lavoro, il fisico Oscar Klein, giunse ad una strana tesi: le dimensioni possone
essere lunghe ed estese ma anche piccolo e circolari. Infatti loro, si azzardarono dire, che le 3
dimensioni dell' universo (altezza, larghezza, profondità) sono estese; ma che ne esistono di
invisibli, ridotte e circolari che non siamo in grado di percepire, piu' piccole di un atomo. Infatti la
matematica delle stringhe richiede 6 dimensioni extra. Esse influenzano il modo di muoversi delle
stringhe.
Theodor Kaluza
Oscar Klein
1985
Fu' un grande anno per le stringhe. Continue pubblicazioni di giornali e di riviste, ma dietro le quinte
c'era un problema. Nel tempo furono elaborate 5 versione di questa teoria con qualche differenza tra
loro e tutte apparentemente valide. Cosi' la teoria si areno' nuovamente.
Pensate se si potesse controllare il tempo e lo spazio. Come ben tutti sappiamo è impossibile, ma le
nozioni di spazio e tempo apprese sono cambiate, cio' che sembrava fantascenza non lo è piu'.
Secondo Einstein lo spazio non è statico ma in continuo movimento, infatti si puo' allungare o
restringere. Inoltre possono esistere strutture spaziali inusuali chiamati cunicoli, che sono: ponti o
tunnel che possono collegare 2 punti lontani dello spazio. C'è una cosa però, per creare uno nuovo
ponte, bisognerebbe strappare la struttura spazio-tempo. Secondo Einstein lo spazio si puo deformare
ma non lacerare, quindi, possono esistere coniculi gia fatti ma non si possono creare. La teoria delle
stringhe, ci mostra che non sempre Einstein aveva ragione. Se potessimo rinpicciolirci vedremo la
stuttura spaziale degli atomi. Come abbiamo gia' detto, essa è inusuale e caotica, quindi potebbero
esserci anche degli strappi, ma se ci fossero, cosa impedirebbe che uno strappo si trasformasse in una
catastrofe cosmica?
Ecco qua, una altra volta tornano in gioco le stringhe. Fluttuando nello spazio, esse creano un cunicolo,
una sorta di stratto protettivo che chiude gli strappi evitando una catastrofe.
Ponte o
tunnel
Struttura spazio-tempo distorta da una
massa.
1995: LA TEORIA M
Come abbiamo detto, negli anni furono elaborate ben 5 teorie. Per gli scienziati era abbastanza
imbarazzante avere tante teorie; ma si verifico' qualcosa di sorprendente. Edward Witten, è
considerato il fisico e uomo piu' intelligente del mondo, infatti lo chiamano il successore Einstein.
Nel 1995 tutti i teorici delle stringhe, si riunirono all' University of Sauthern (California), per il
convegno annuale. Witten si presento, e diede una scossa al loro mondo. Per risolvere il
problema, Edward affronto' la teoria in un modo nuovo. Sciocco' tutti quanti con una prospettiva
nuova. Secondo lui, le 5 teorie erano modi diversi di vedere la stessa cosa. Grazie a tutto cio', la
teoria delle stringhe si rissellevo', e fu battezzata: Teoria M. Quella M, sta per Marasma, perche' il
concetto di vedere cio' è primitivo. Quella visione, faceva sperare ai fisici di essere davanti ad una
teoria del tutto. Pero' ci fu cambiamento. La teoria, prima dell'intervento di Edwad, lavorava su 10
dimensioni (1 temporale, 3 spaziali, 6 extra); dopodiche ne fu' aggiunta l'undicesima (1 temporale,
3 spaziali, 7 extra).
Edward Witten
University of Sauthem
IL NOSTRO UNIVERSO
Grazie all'undicesima dimensione, le stringhe possono fare molte piu' cose. Infatti fu' scoperto
qualcosa di piu' grande di una stringa, qualcosa che assomigliava ad una membrana. Infatti
l'undicesima dimensione di Witten farebbe' si che le stringhe possano diventare sempre piu'
grandi, fino a formare una membrana, chiamata Brana. Essa puo' essere in 3d ma anche di piu',
e con un enorme quantita' di energia, potrebbe allargarsi fino a raggiungere le dimensioni
dell'universo. Brane e multidimensioni potrebbero portare all'idea che il nostro universo sia in una
membrana tridimensionale enorme. Inoltre potrebbe essere che ne esistana di piu' di 1 e che
fluttuano affianco a noi. Alcuni universi poterebbero essere uguali al nostro, con forme di vita e
pianeti; invece altri potrebbero essere governati da leggi fisciche stranissime. Se è cosi', perchè
non possimo vederli e toccarli? La risposta è semplice, i nostri atomi, non possono uscire dalla
nostra membrana, quindi, quando noi cerchiamo di toccare cio' che sta in un altra è come
prendere qualcosa che non si puo' raggiungere. Se cio' fosse vero, riusciremo a rispondere ad
una domanda che ha a che fare con la gravita'.
LA FORZA DI GRAVITA'
La teoria dei multi-universi potrebbe spiegare una domanda della fisica classica: la gravita'. Oggi
ci pare ovvio che la forza di gravita' è una forza incontrastabile. Essa sembra una forza potente,
ma è debole, infatti i nostri muscoli riescono ad contrastarla, anche i magneti ci riescono perchè
sono governati dell' elettromagnetismo. Infatti è testato che l'elettromagnetismo è piu' forte della
gravita, per l'esatezza un 1 seguito da 39 zeri. La forza di gravità ha disorientato i scienziati, ma
con la teoria delle stringhe, con le sue membrane, offre un nuovo modo di affrontare il problema.
Infatti si pensa che la gravità si forte come l'elettromagnetismo, ma non riusciamo a percepira.
Secondo la teoria m tutte le stringhe sono semicerchi, in cui i capi sono ancorati alla membrana
3d. Pero' esistono anche stringhe chiuse, responsabili della gravita', dette gravitoni. Essi infatti,
essendo a forma d' anello, non rimangono attaccate alla membrana, cosi loro sono liberi di
viaggare da un universo ad un altro, cambiare membrana, attenuando la forza di gravita' e
facendola sembrare piu' debole di quanto sembri. Infatti, teoricamente, un giorno potremo
comunicare con la mebrana piu' vicina a noi scambiando onde gravitazionali come segnali.
Stringhe a
semicerchio,
con i capi ancorati
alla membrana
Membrana in cui
viviamo
Rappresentazione grafica
di un gravitone.
BIG BANG: LA NUOVA TEORIA
Secondo la teoria ufficiale, tutto quanto si è creato dal nulla, da una piccolissima massa che ad un
tratto esplose. Ma la teoria non dice come si è creato quel punto, ne tanto meno come abbia fatto
ad esplodere. Secondo i fisici quantistici, la parola nulla non ha senso, perchè niente si puo'
originare da niente. Anche quà le membane della teoria delle stringhe ci puo venire in aiuto.
Secondo i teorici, il Big Bang non è altro che lo scontro tra 2 membrane. Infatti, quando loro
fluttuano nello spazio, esse possono venire in collisione tra loro, liberando enormi quantita di
energia e di calore, che generarono quello che noi oggi conosciamo. Inoltre secondo i teorici non
è avvenuta uno solo scontro, ma piu' ripetute collisioni. Quindi potrebbe essere che in tutto lo
spazio ci sia un' altra membrana che si stia avvicinando a noi e che in un giorno o l'altro esse si
scontrino. E tutto cio' potrebbe riaccadere nel futuro.
Quindi se tutto cio' è vero, e le teoria delle stringhe è l'unica teoria valida per descrivere l'universo,
dovrà rispondere con certezza alla domanda del Big Bang.
LA “S“ PARTICELLA
Uno degli obbiettivi di chi lavora negli acceleratori di particelle è di trovare un gravitone in seguito
ad uno scontro tra particelle. Inolte la priorietà per tutti è di trovare la super-simmetria, ipotesi
fondamentale per la teoria delle stringhe.
In poche parole esse dice che ogni particella subatomica nota (elettroni, protoni, gravitoni),
dovrebbe essere accompagnate da una corrispondente particella piu' pensante, detta:
“s particella“; che pero' nessuno ha mai visto. Dato che la teoria delle stringhe ipotizza l'esistenza
della s particella, bisogna trovarla.
Acceleratore di particelle
Acceleratore di particelle a Ginevra, che
l'hanno chiamato CERN.
GRAZIE
PER
LA
VISIONE
La teoria descritta in questa presentazione, è stata basata su calcoli matematici. Quindi i
supponitori di essa, cercano un modo per testarla. Niente nega che tutto cio' sia sbagliato.
LAVORO DEL:
ANNO SCOL:
CLASSE:
fisico quantistico: FEDERICO BONAFINI
2015
3a
Chiunque ne voglia sapre di piu' o è interessato ad approfondire questo argomento, posso
spiegarglielo. Quindi se volete sono disposto a dirvi tutto quello che so in questo campo.
Rivolgetemi pure la parola, accetto tutti.
