Didattica della Fisica moderna B (20 ore)
Laboratorio di Didattica della Fisica moderna II B (10 ore)
Docente: A. Defendi
I due corsi, rivolti a laureati in Matematica e Ingegneria, sono strettamente correlati e intendono
presentare gli aspetti essenziali, sia a livello formale che concettuale, della fisica quantistica,
unitamente ad una serie di indicazioni utili ad una trasposizione didattica nella scuola secondaria
superiore.
Gli obiettivi generali dei corsi possono essere schematicamente ricondotti a tre gruppi:
1.
Mostrare come i modelli concettuali alla base della fisica classica -- il modello corpuscolare
per la materia e il modello ondulatorio per la radiazione – si siano rivelati inadeguati e siano
stati superati nell’ambito della fisica quantistica, della quale viene messo in luce il radicale
cambiamento di paradigma.
2. Fornire gli strumenti matematici minimi per poter comprendere il quadro formale
caratteristico della meccanica quantistica e accedere quindi alla vasta letteratura in materia,
sia a livello di applicazioni che di interpretazioni.
3. Fornire la traccia di un possibile percorso didattico, per la presentazione di aspetti di fisica
quantistica nella classe terminale di un liceo, che punti, non tanto sugli aspetti formali,
quanto su quelli storici e concettuali, mettendo in evidenza la possibilità di effettuare
molteplici riflessioni di natura filosofica.
Nei due corsi vengono trattati i seguenti argomenti:
I modelli della fisica classica e il loro superamento
o Il modello corpuscolare per la materia: descrizione di un sistema classico secondo le
formulazioni lagrangiana e hamiltoniana, equazioni del moto, spazio delle
configurazioni e delle fasi.
o Il modello ondulatorio per la radiazione: da Huygens alla teoria elettromagnetica di
Maxwell, il problema dell’etere.
o Gli aspetti corpuscolari della radiazione: esame dell'effetto fotoelettrico e dell'effetto
Compton.
o Gli aspetti ondulatori della materia: esperimenti di interferenza e diffrazione di
elettroni.
o Inadeguatezza dei modelli classici di onda e corpuscolo nella descrizione dei
fenomeni quantistici: l’esperimento con doppia fenditura e il cosiddetto dualismo
onda-corpuscolo.
Il formalismo della meccanica quantistica
o La descrizione degli stati di un sistema quantistico: elementi di teoria degli spazi di
Hilbert.
o La descrizione delle variabili dinamiche quantistiche: elementi di teoria degli
operatori lineari autoaggiunti.
o La teoria della misura quantistica: la riduzione del pacchetto, osservabili compatibili
e incompatibili, il ruolo dei commutatori, il principio di indeterminazione.
o La teoria delle rappresentazioni: la rappresentazione delle posizioni e la forma
esplicita delle variabili dinamiche.
o L’evoluzione temporale degli stati: l’equazione di Schrödinger.
o Un’applicazione: la descrizione dell’atomo di idrogeno.
Riferimenti bibliografici
Un qualunque manuale di meccanica quantistica.
Per una presentazione più contenuta che tratti sia gli aspetti formali che concettuali si può fare
riferimento a
G.C. Ghirardi, I fondamenti concettuali e le implicazioni epistemologiche della meccanica
quantistica, con Appendice su Il linguaggio matematico della meccanica quantistica, in G. Boniolo
(a cura di), Filosofia della fisica, Bruno Mondadori, 2000.
Per una trattazione meno formale ma sempre rigorosa si può vedere
G.C. Ghirardi, Un’occhiata alle carte di Dio, Net, 2003.
