La fisica dal XX al XXI secolo

Presentazione sul tema: "La fisica dal XX al XXI secolo"— Transcript della presentazione:

1 La fisica dal XX al XXI secolo
Siamo in procinto di una nuova rivoluzione Scientifica?

2 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Letture per il quiz Le domande sono tratte dal numero 15 di Asimmetrie in particolare dagli articoli: Assenti Giustificati Foto d'epoca e Note gravi Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

3 La situazione fino ai primi del ‘900
Principio di relatività “galileiana”: “Le leggi fisiche sono le stesse per utti gli osservatori in quiete ed in moto rettilineo uniforme rispetto ad esso” Sistemi di riferimento inerziali e come si trasformano Primi tentetivi di capire le trasformazioni di sistemi di riferimento accelerati, come: una giostra o un ascensore in caduta libera X Y Z Galileo Galilei La teoria della gravitazione di Newton fu pubblicata nel 1685 nel “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” e contiene le pietre miliari della dinamica classica: Isaac Newton Legge di Newton Legge della gravitazione di Newton Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

4 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Metà del XIX secolo Leggi dell’elettricità e del magnetismo James C. Maxwell Leggi dell’elettricità N S N S Legge di Coulomb N S N S Leggi dell’elettromagnetismo Cariche elettriche in moto “vedono” il campo magnetico Le correnti elettriche producono un campo magnetico N S Equazioni di Maxwell: Velocità della luce Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

5 La situazione fino ai primi del ‘900
Le equazioni di Maxwell descrivono la propagazione delle onde elettromagnetiche quindi anche della luce. Queste equazioni prevedono che la velocità della luce sia la stessa in qualunque sistema di riferimento inerziale. Questo non torna con la relatività Galileiana: 10000 Km/s Se emetto un raggio di luce dall’astronave, questo viaggia sempre a km/s, non La velocità non si somma!!! PRIMI INDIZI CHE QUALCOSA NON VA… c= km/s Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

6 La situazione ai primi del ‘900
Meccanica Quantistica Radiazione di corpo nero Lord Kelvin, April 27, 1900 The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds. Teoria della Relatività Esistenza dell’Etere Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

7 Radiazione di corpo nero
Corpo nero: assorbe tutte le lunghezze d’onda della luce ed è in grado di emetterle tutte. Scaldato ad una certa temperatura emette radiazione elettromagnetica con uno spettro caratteristico, il cui picco è ad una frequenza proporzionale alla temperatura. Con argomenti di termodinamica classica si può dimostrare che la densità di energia per unità di frequenza emessa è del tipo Per Rayleigh e Jeans f(hn/KT)=1, ma questo porta a densità (radianze) infinite per frequenze elevate (catastrofe uktravioletta). Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

8 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Corpo nero e Planck Catastrofe UV Planck: formula di interpolazione L’energia dei “quanti” di luce è proporzonale alla frequenza. Nel 1907, Einstein mostra che si può ottenere la formula di Planck pensando a oscillatori armonici quantizzati. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

9 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Onde o particelle? Effetto fotoelettrico: luce ultravioletta incidente su un metallo produce l’emissione di elettroni, che possono provocare una corrente elettrica. Einstein nel 1905 propone la spiegazione: la luce è composta da particelle di energia hn che urtano gli elettroni del metallo ai quali cedono la loro energia. Per questo ha vinto il premio Nobel. Gli elettroni emessi hanno un’energia E=hn - f dove f è la “funzione di lavoro” cioè l’energia necessaria per vincere l’energia di legame. Dunque i “fotoni” sono particelle, ma, come sappiamo la luce è composta da onde. C’è un dualismo, la luce si comporta sia come un’onda sia come una particella. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

10 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Onde o particelle? Nel 1923 Louis de Broglie propone , nella sua tesi di dottorato, che lo stesso dualismo onda-particella della luce, si possa estendere alla materia ordinaria. Per i fotoni: E=hn= hc/l; l’impulso è p=E/c; dunque p=h/l. Facendo la stessa congettura per la materia, si ottiene che una particella con impulso p avrà una lunghezza d’onda caratteristica: l=h/p=h/mv Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

11 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Onde o particelle? Se è una particella Se è un’onda Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

12 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Onde o particelle? Esperimento fatto con un elettrone per secondo Ok, è una particella No, allora è un’onda Onde e particelle, allo stesso tempo Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

13 Principio di indeterminazione
Se eseguo una misura sulla posizione di una particella con una precisione Dx, allora il suo impulso avrà una indeterminazione Dp inversamente proporzionale. Analogamente, se misuro l’energia precisamente, sarà indeterminato il tempo di misura e viceversa. Effetto tunnel Una particella di energia (quindi impulso) nota, costretta da una parete, ha una probabilità non nulla di essere al di là della parete. Più è spessa la parete, esponenzialmente minore sarà la probabilità. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

14 Meccanica Quantistica
La meccanica con cui si trattano questi strani oggetti che esibiscono il dualismo onda- particella è la meccanica quantistica L’equazione del moto delle particelle (o dei pacchetti d’onda) è descritta dall’equazione di Schrödinger (1928) Spiega bene i fenomeni quantistici finché la velocità non diventa confrontabile con quella della luce Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

15 Meccanica Quantistica
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16 Particelle dallo spazio: i raggi cosmici
Domenico Pacini nel 1912 poté affermare, prima di tutti gli altri, che si doveva tener conto di una radiazione proveniente dall'alto dell'atmosfera, così penetrante da poter giungere a terra dopo aver attraversato tutta l'atmosfera; Domenico Pacini muore nel 1934, e nel 1936 il premio Nobel per la scoperta dei raggi cosmici fu attribuito a Victor Hess. Solo verso gli anni venti si comincerà a capire che la radiazione penetrante è composta da particelle cariche, elettroni, protoni e altre particelle, all'epoca ancora non identificate Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

17 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Alta atmosfera Di cosa sono fatti? Immagine: centrofermi.it Immagine: Wikipedia Livello del mare Studiare i raggi cosmici significa studiare le particelle. Tuttavia, dato che i raggi cosmici arrivano in maniera aleatoria sulla superficie terrestre, non è facile studiarne le proprietà ed è sicuramente più efficace “riprodurre” i raggi cosmici in laboratorio: costruiamo gli acceleratori di particelle e i rivelatori. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

18 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Il Neutrino e gli altri Negli anni ’30 W. Pauli, per spiegare uno sbilanciamento di energia nel decadimento dei nuclei radioattivi, propose l’esistenza di una particella che non interagiva con la strumentazione. Questa particella doveva essere neutra => Neutrino E. Fermi, prese le mosse da questo per introdurre un meccanismo che spiegasse i decadimenti β con un’interazione a 4 particelle, di cui una fosse il Neutrino. Ipotesi dell’anti-neutrino. E. Maiorana, studiò a fondo le proprietà di questa particella, e propose un modello in cui i neutrini fossero coincidenti con gli antineutrini (1937) Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

19 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Relatività H. Minkowski H. Poincaré Relatividad 1 – Físicos Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014 A. Einstein H. A. Lorentz G. F. Fitzgerald

20 1905: la relatività speciale
La velocità della luce è costante in qualsiasi sistema di riferimento ed è la velocità massima raggiungibile; trasformazioni di Lorenz Lo spazio e il tempo sono coordinate equivalenti: spazio-tempo o cronotopo intervallo ds2=c2dt2-(dx2+dy2+dz2); La distanza spaziale, ma anche quella temporale dipende dal sistema di riferimento Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

21 Contrazione delle lunghezze e dilatazione dei tempi
Le trasformazoni di Lorenz prendono il posto delle trasformazoni di Galileo quando si impone che la velocità della luce sia costante in ogni sistema di riferimento. Se si considerano due osservatori: uno fermo e l’altro in moto rispetto al primo con velocità V, il secondo vedrà le lunghezze più piccole rispetto al primo ed il tempo passerà più lentamente. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

22 Equivalenza di massa ed energia
2 E=mc Energia Massa Energia Nucleare Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

23 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
1916 – Relatività generale Per sistemi non inerziali lo spazio-tempo è curvo: accelerazione  forza  curvatura; Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

24 Cosa succede allo spazio in presenza di masse?
S’incurva! Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

25 B A La massa e l’energia curvano la struttura dello spazio e del tempo
Il tragitto più breve tra A e B… è una curva! A B Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

26 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Lente gravitazionale Reale Osservato Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

27 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Immagine ripresa da Hubble Space Telescope Un unico oggetto: Quasar distante 8 miliardi di anni luce Oggetto più vicino alla Terra: una galassia distante 400 milioni di anni luce Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

28 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
L’anello di Einstein Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

29 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
EMRI Extreme Mass Ratio Inspirals Sono oggetti compatti (Nane bianche - WD, stelle di neutroni - NS, o buchi neri - BH) che spiraleggiano attorno ad un buco nero supemassiccio La banda di frequenza di queste sorgenti è nella regione dei mHz (1 periodo ogni 1000 secondi) La massa degli oggetti orbitanti è trascurabile => ottimi per studiare il BH “imperturbato” Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

30 Lo spazio si curva…e il tempo?
Eh, già…il tempo e lo spazio sono la stessa cosa, dunque anche la distanza temporale cambia a seconda del campo gravitazionale presente!! Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

31 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
3 secondi avanti rispetto all’orologio a terra… ma dopo 1 milione di anni! 1 km Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

32 Global Positioning system Dove finiremmo senza la relatività?
Il sistema GPS Global Positioning system Dove finiremmo senza la relatività? 24 Satelliti artificiali a circa km dalla superficie terrestre Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

33 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Il sistema GPS segnale ricevuto a t2 segnale emesso a t1 velocità del segnale = c 1 2 3 1 2 3 4 Distanza=velocità x intervallo di tempo Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

34 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Orologio atomico su satellite Sfasamento di 45 x secondi al giorno! km 1 milionesimo di secondo di differenza tra i due orologi produrrebbe un errore nella posizione di 300 metri. C’è un ritardo dell’orologio su satellite dovuto alla sua velocità orbitale (pari a –7.2 μs/giorno): dilatazione dei tempi della relatività ristretta. Ma c’è un controeffetto maggiore dovuto alla gravità e alla distanza dalla Terra, che fa andare l’orologio più veloce! Orologio atomico a terra Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

35 Onde nello spazio-tempo
Variazioni di massa producono increspature nel cronotopo…esattamente come quando si lancia un sasso in acqua. Ma quanto e come devono variare, le masse per produrre un onda visibile da terra e come si possono osservare queste onde? Variazione del quadrupolo – esclusa simmetria sferica |hik| « 1 Piccola perturbazione Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

36 Costanti di accoppiamento
strong e.m. weak gravity 0.1 1/137 10-5 10-39 Emissione di GW : eventi molto energetici ma quasi nessuna interazione Collassi di supernova: i neutrini (n) subiscono 103 interazioni prima di lasciare la stella, le Onde Gravitazionali (GW), invece, emergono dal nucleo indisturbate disaccoppiamento delle GW dopo il Big Bang GW ~ s (T ~ 1019 GeV) n ~ s (T ~ 1 MeV) γ ~ s (T ~ eV) Trasporto ideale di informazione, Universo trasparente alle GW fino al Big Bang!! Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

37 Sorgenti astrofisiche di GW
Abbiamo visto che la produzione di GW è caratterizzata dall’essere poco efficiente: solo sorgenti astrofisiche hanno sufficiente energia da produrne di rivelabili. In base all’andamento nel tempo della radiazione emessa possiamo classificare le sorgenti in tre tipi: Sorgenti impulsive Sorgenti quasi periodiche Sorgenti periodiche Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

38 Evoluzione delle binarie coalescenti
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39 SgrA* il SMBH al centro della nostra galassia e orbite delle stelle
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40 Pulsar =Stelle di neutroni rotanti
Segnale piccolo a frequenza f=2fspin Momento di inerzia Coefficiente di asimmetria Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

41 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Fondo stocastico Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

42 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Fondo stocastico Per fondo si intende un segnale che è presente ovunque e in qualsiasi momento. Stocastico significa che è un rumore casuale. Il fondo stocastico di GW è costituito da due componenti La componente cosmologica: è l’echo del Big Bang La componente astrofisica: è la somma incoerente del segnale di molte stelle che non si riesce a distinguere (come il rumore di una moltitudine di persone che parlano). Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

43 VIRGO LAPP – Annecy NIKHEF – Amsterdam INFN – Firenze-Urbino
INFN – LNF INFN – Genova LMA – Lyon INFN – Napoli OCA – Nice LAL – Orsay APC – Paris INFN – Padova-Trento INFN – Perugia INFN – Pisa INFN – Roma 1 INFN – Roma 2 POLGRAV – Warsaw Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

44 Nascita di una scienza: la cosmologia
Materia e radiazione nell’universo Forma dell’universo Però subito, una sorpresa… Possibilità1: Siamo al centro Espansione dell’universo Big Bang Possibilità2: Tutto si allontana da tutto! Hubble (1929) “Tutto si allontana da noi” Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

45 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Il principio di tutto Se tutto si allontana da tutto, andando a ritroso, tutto si concentra in uno spazio piccolissimo (non è così, ma ci aiuta a riflettere…). Se consideriamo i primissimi istanti dell’universo, per es. a Dt=10-43s, secondo il principio di indeterminazione: DE> h/Dt=10-22(Mev/s)/10-43s=1021 MeV=1019GeV. Questo ci dà solo un’idea di quali fossero le energie in gioco solo per effetto dell’indeterminazione. Il Big Bang non riesce a spiegare, per esempio, perché zone che adesso sono più distanti di quanto la luce possa aver percorso dall’inizio dell’Universo siano omogenee (problema degli orizzonti) => inflazione= espansione accelerata nei primi istanti. Se la massa è sufficiente, a causa della gravità, l’espansione si fermerà, o, addirittura si invertirà. Ma apparentemente la massa di tutta la materia visibile non basta a spiegare lo stato attuale: Materia oscura? Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

46 Piccola storia dell’Universo
Radiazione cosmologica di fondo Onde Gravitazionali La radiazione di fondo porta informazioni sulle prime fasi di vita dell’universo. Il fondo gravitazionale risale a una frazione infinitesima di secondo dopo il Big Bang: ci dirà com’era l’universo appena nato. neutrini microonde Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

47 Teoria quantistica dei campi
Relatività speciale+meccanica quantistica=teoria quantistica dei campi Esistenza dell’anti-elettrone (P.A.M. Dirac 1933) Teoria delle interazioni deboli => Enrico Fermi Elettrodinamica quantistica => Schwinger, Tomonaga, Feynman (~1945) + Dyson Bosoni vettori e modello a quark/partoni (~1965): Gell Mann, Weinberg Modello standard delle interazioni elettro-deboli: Glashow, Weinberg, Salam + Higgs…e molti altri… Rivelazione dei “bosoni vettori” (Nobel Rubbia 1982): conferma del modello elettrodebole. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

48 Elettroni, neutrini e tutta la famiglia
Alla fine degli anni ‘70, lo zoo delle particelle elementari era assai popolato i Leptoni (le particelle che risentono delle interazioni deboli) sono organizzate in famiglie: doppietti di fratelli (“sapore” leptonico) Carica = 0 Carica = -1 I Quark, sono i costituenti delle particelle che risentono delle interazioni forti (gli Adroni). i Quark, come i Leptoni risentono delle interazioni deboli, e interagiscono fra loro mediante le interazionie forti. Sono organizzati in doppietti: Carica = +2/3 Carica = -1/3 Le interazioni a distanza sono “mediate” da particelle (i bosoni vettori): per le interazioni elettromagnetiche il fotone, per quelle deboli i bosoni carichi W+ e W- e quello neutro Z0, per le interazionei forti i gluoni Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

49 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Le masse dei leptoni Nella teoria le masse dei leptoni e dei quark sono tutte nulle, in pratica non è così. Chi dà la massa ai leptoni? La massa la possiamo considerare come il rapporto tra la forza applicata e l’accelerazione subita da una particella: m=F/a. Dunque se c’è un campo con cui interagiscono i leptoni, che fa sì che le particelle rispondano alle forze con una accelerazione non infinita (come fosse un’attrito), anche leptoni senza massa ne acquisirebbero una. Campo di Higgs => bosone di Higgs (trovato nel 2013). Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

50 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Peter Higgs François Englert Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

51 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
Masse dei neutrini I neutrini che vengono prodotti dalle interazioini deboli con dei “sapori” definiti, quando si propagano nello spazio rispondono solo alla conservazione dell’energia non anche del “sapore” leptonico. Se hanno massa, neutrini prodotti di un certo tipo, dopo un certo percorso possono essersi trasformati in un altro tipo (oscillazione dei neutrini). La probabilità di oscillazione è proporzionale al Dm2 e dipende da un altro parametro di detto angolo di mescolamento. L’osservazione delle oscillazioni nenm e nm  nt dà indicazioni sulla differenza di massa, ma non sulle masse, né sul segno della differenza. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

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Materia oscura Le oscillazioni di neutrino sono state osservate, prima in esperimenti in miniera che osservano i neutrini emessi dal sole, e poi dall’esperimento OPERA che rivela al gran sasso i neutrini “sparati” dal CERN. Basta la massa dei neutrini in aggiunta alla massa delle particelle note a spiegare la dinamica dell’universo? NO!!! Per spiegare la dinamica e alcune osservazioni (per es. sulla rotazione delle galassie, o sulle lenti gravitazionali) bisogna ipotizzare altre particelle molto massicce che non interagiscano praticamente con niente (e quindi non si vedono): la materia oscura Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

53 Fisica a colori (cromodinamica quantistica)
I quark, oltre ad una carica elettrica portano un altro tipo di carica detta colore che può assumere tre valori: rosso, verde, blu e i suoi anti-colori (per es. anti-rosso) Le interazioni forti sono sensibili alla carica di colore Le particelle reali composte da quark sono neutre: i mesoni composte da un quark ed un antiquark dello stesso colore-anticolore (benché di carica differente), i barioni sono composti da tre quarks di diverso colore Le interazioni forti sono mediate da bosoni vettori (i gluoni) che portano una carica di colore anticolore. Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

54 Ma allora è tutto sistemato?
Siamo nella stessa situazione che aveva sottolineato Lord Kelvin nel 1900: la fisica delle interazioni fondamentali è quasi completamente capita, salvo qualche nube. Unificazione di tutte le forze fondamentali in un unico schema La Gravitazione non si riesce a quantizzare. Non si sono osservate le particelle responsabili della materia oscura Le onde gravitazionali non si sono ancora osservate direttamente Perché materia ed antimateria non esistono in eguali quantità Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014

55 Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014
In conclusione All’inizio del secolo scorso sembrava che tutto fosse stato incasellato…e da due piccole nubi è nata la rivoluzione scientifica più grande da secoli All’inizio di questo secolo la scoperta del bosone di Higgs sembra aver confermato il modello standard delle interazioni fondamentali e la Relatività Generale non mostra cedimenti Qualche nuvola comincia a vedersi anche adesso: siamo in procinto di un nuovo salto? There's Plenty of Room at the Bottom (R. Feynman) Fisica a Vela - Fabio Garufi 2014