Questioni di fisica contemporanea

Presentazione sul tema: "Questioni di fisica contemporanea"— Transcript della presentazione:

1 Questioni di fisica contemporanea
Liberetà - 8 febbraio 2007 – II lezione Questioni di fisica contemporanea luce, tempo e dimensioni

2 C'ERANO UNA VOLTA LE 4 FORZE

3 ma ora si racconta che LA SUPERGRAVITÀ . . .

4 INDICE PRIMA LEZIONE Poesia maccheronica di introduzione
Le "4 forze" fino al Modello Standard L‘Effetto Tunnel fino al Principio di Indeterminazione Storia del concetto di forza L'eliminazione della forza di gravità

5 La classica mela chiede spiegazioni …
Disse una volta la mela al quanto: “raccontami, da capo, una storia, come sai far tu solo, ogni tanto! Che sia evidente per cortesia, com’ è la forza di gravità soltanto!” fisica ingenua - intuitiva fisica sperimentale le 4 forze

6 sempre più turbata … e confusa
“Ma me la dissero da poco soltanto una vicenda che è curiosa alquanto” Dopo un istante di vera magia: “Dì, è vero? Sai di stregoneria?!?” oggetti classici e particelle quantistiche L’EFFETTO TUNNEL

7 il principio di equivalenza elimina la forza di gravità
DALLA FORZA DI GRAVITÀ ALLA GEODETICA C’era una volta un’illusione forza di gravità era il suo nome ma per Einstein è solo falsità sulla geodetica scivola la Realtà il principio di equivalenza elimina la forza di gravità le geodetiche I

8 UNA FOLLA DI PARTICELLE
QUANTI MEDIATORI = PARTICELLE FORZA e se i nostri padri fossero ora finalmente contenti, noi potremmo moltiplicarci senza troppi tormenti, crearci annichilirci e mediare la forza tra noi quanti, ma la fantasia dei padri non ha nulla da invidiarci, e le loro storie riescono a confonderci e incantarci, e purtroppo sono in grado sempre di influenzarci ruolo debole della forza teoria quantistica del campo I

9 LA TEORIA DEL CAMPO UNIFICATO teoria di campo unificata
Il Gravitone è parente del Fotone se aumentiamo di una dimensione, e di Einstein IL SOGNO non morirà di un campo unificato per la realtà, ma la forza per sempre la fisica lascerà teoria di campo unificata e fine della forza Gravitone e Fotone I

10 RISOLVEREBBERO IL PROBLEMA DELLA GRAVITÀ Supergravità - teoria M
LE SUPERSTRINGHE RISOLVEREBBERO IL PROBLEMA DELLA GRAVITÀ E quello che tu mela ancora non sai è che i nostri padri sono in seri guai, e se il quanto Gravitone non troveranno e le Superstringhe non funzioneranno qualcosa d’altro pure si inventeranno o tutta da capo la Fisica scriveranno. Ora su vieni con me e se tu retta mi darai quanto diversa sei da noi forse capirai. Supergravità - teoria M

11 Newton – Einstein - Bohr e altri
LE TEORIE TRA FANTASIA E REALTÀ Ma sappi comunque, cara mela, che c’è qualcosa che in comune abbiamo: sia classica, relativistica o quantistica la storia che utilizziamo, sembra starci la realtà, e di buon grado, al gioco della sua creatura uomo. Benché tanto diverse e tanto lontane, dalle stelle sulla terra fino all’atòmo, ne ha create di teorie l’ essere umano, ma che sia proprio così non lo sappiamo. Newton – Einstein - Bohr e altri I torna indietro

12 L'EFFETTO TUNNEL Io ho invece qualche probabilità, anche se piccola, di svignarmela, cara amica! OPS!?! La porta dell’ascensore si è bloccata! Siamo imprigionati!!! Caro quanto, CHE ANGOSCIA!!! EEEHHH??? Hai visto che forte? Mi dispiace per te, ciao ciao. I torna indietro

13 Secondo la fisica classica
Non ci riesco proprio ad uscire Se qualche SANTO non mi aiuta, non potrò mai uscire da qua. Non ho abbastanza energia per superare la barriera BUM! Se la velocità, e quindi l’energia di movimento o cinetica, non è sufficiente a raggiungere almeno il bordo, la pallina non potrà uscire dalla buca (di potenziale). SANTO torna indietro

14 Secondo la fisica quantistica
Esiste una probabilità non nulla che una particella atomica confinata in una barriera riesca, come una pallina che attraversi le pareti di una tazzina (vedi diapositiva successiva) a fuoriuscire dalla barriera. Esiste una probabilità non nulla anche se la sua energia è minore del valore minimo previsto dalla fisica classica per l’uscita dalla buca. Sorprendentemente (per il senso comune) la particella si può trovare al di là della barriera, anche se possono passare migliaia, milioni di anni prima che l’evento si verifichi. torna indietro

15 LE ONDE DI PROBABILITÀ E L’EFFETTO TUNNEL
la particella imprigionata nella tazzina passa attraverso la parete torna indietro

16 Ancora sull’ effetto tunnel
Secondo la Meccanica Classica la pallina, partendo ferma dalla vetta della collina, non riuscirà mai a superare la vetta della montagna. Secondo la Meccanica Quantistica invece esiste una probabilità non nulla che la pallina superi la montagna Passa attraverso un tunnel Non sappiamo se una pallina particolare passa o no, possiamo solo sapere la probabilità che ha di attraversare la barriera, PERÒ se abbiamo tante palline, supponiamo che ognuna abbia un nome, possiamo prevedere la frazione di quelle che passano, ma non sappiamo che nome hanno quelle che sono passate. Non ha importanza però sapere quali, ci basta sapere quante attraversano il tunnel, quante superano la barriera di energia. torna indietro

17 LA DUALITÀ ONDA-PARTICELLA
COME LA LUCE L’EFFETTO TUNNEL E LA DUALITÀ ONDA-PARTICELLA Per la luce è ben conosciuto l’effetto che una struttura opaca diventa parzialmente trasparente quando è abbastanza sottile. Con lo stesso principio una particella si può trovare dall’altra parte di una barriera, che per la sua altezza (in termini di energia) non potrebbe essere superata. I

18 Inoltre possiamo dire che non ci meravigliamo se luce e onde elettromagnetiche … attraversano corpi … solidi, se osserviamo che si comportano in modo diverso da una pioggia di corpuscoli classici. Lo troviamo del tutto normale. Così l’effetto tunnel è normale nel mondo delle particelle, perché i quanti sono anche onde … di probabilità. Nel mondo quantistico è normale che anche gli elettroni, considerati nella fisica classica semplici corpuscoli, possano avere proprietà tipiche delle onde, precisamente delle onde di probabilità. Un elettrone infatti non è semplicemente una massa puntiforme: esso ha proprietà ondulatorie che si estendono al suo esterno come onde in uno stagno. Tali onde come quelle della luce, possono sentire l’ambiente intorno all’elettrone, permettendogli di passare come in un tunnel, attraverso una barriera, verso una regione posta dall’altra parte della barriera all’interno della quale può propagarsi.

19 ONDA o PARTICELLA? Nella favola IL PIPISTRELLO E LE DUE DONNOLE , La Fontaine racconta la storia di un pipistrello che ha la sfortuna di cadere nella tana di una donnola. Questa che non ha simpatia per i topi minaccia di mangiarselo. Per scongiurare questo pericolo, il pipistrello spiega di non essere un topo, come dimostrano le sue ali proprie degli uccelli. Convinta da questo ragionamento, la donnola decide di lasciarlo andare via sano e salvo. Due giorni dopo il pipistrello cade nella tana di un’altra donnola, la quale ha invece in antipatia gli uccelli. Di nuovo in procinto di essere divorato, il pipistrello si affanna a dimostrare che ciò che caratterizza gli uccelli non sono le ali bensì le piume. Non avendo piume è chiaro che non è un uccello, bensì un topo. Adattando la sua immagine alle circostanze, il pipistrello l’ha scampata per due volte … In un certo senso, le particelle quantiche hanno un’ambiguità simile a quella dei pipistrelli di La Fontaine. Il loro aspetto dipende dal particolare contesto in cui vengono osservate.

20 E IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (PI)
L’EFFETTO TUNNEL E IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (PI) La quantità di energia che una particella possiede determina anche quello che una particella può fare. L’energia si presenta in molte forme. Può apparire come l’energia della massa a riposo di una particella, come energia cinetica del moto di un qualunque oggetto e come energia potenziale, ad esempio gravitazionale, di un oggetto, energia che diminuisce quando l’oggetto cade (trasformandosi in energia cinetica). I

21 L’energia nel mondo dei quanti è un po’ come il denaro nel nostro mondo. Supponiamo che un cassiere di banca, secondo noi alquanto disonesto, prelevi di nascosto dalla cassa una certa quantità di denaro e la utilizzi temporaneamente a proprio vantaggio, per poi restituirla, subito dopo, prima che qualche funzionario possa verificarne la mancanza. Nel mondo dei quanti il principio di indeterminazione permette alla particella di cavarsela in ogni situazione, considerata delicata e difficile, purché faccia quello che deve fare in un tempo sufficientemente piccolo. Se un fenomeno avviene in un tempo molto breve, quindi t è molto piccolo, l’energia E risulta indeterminata e così può fluttuare a tal punto da raggiungere un valore istantaneo abbastanza alto da permettere alla particella di uscire dalla buca, di oltrepassare quindi la barriera di energia.

22 non obbedire al principio di conservazione dell’energia.
Se un processo è particolarmente veloce, può, nei suoi stadi intermedi, non obbedire al principio di conservazione dell’energia. L’energia può quindi, per un tempo brevissimo, sorgere dal nulla. Può essere in qualche modo creata. Però entro quel tempo brevissimo deve scomparire nuovamente nel nulla. I

23 L’EFFETTO TUNNEL ha trovato numerose applicazioni
nell’ingegneria elettronica viene impiegato in molti apparecchi di uso pratico, anche un comune orologio al quarzo può includere componenti il cui funzionamento si basa sull’effetto tunnel MICROSCOPIO ELETTRONICO MICROSCOPIO A EFFETTO TUNNEL torna indietro

24 in Meccanica Quantistica IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE
Ahi, ma guarda questi!!! Perché non si fanno i fatti loro?!? L’OSSERVATORE in Meccanica Quantistica La fisica si occupa di ciò che può essere osservato IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE Questi fotoni mi hanno messo un’agitazione! Per osservare qualcosa dobbiamo farlo interagire con uno strumento di misura.. I torna indietro Ad esempio illuminiamo un elettrone per osservarlo. Se colpiamo una boccia con un’altra boccia perturbiamo il suo stato. Analogamente i fotoni, colpendo l’elettrone, perturbano il suo stato, e quindi non possiao più conoscere la Sua effettiva velocità. Se invece non lo illumino sufficientemente non sono in grado di conoscere la sua posizione. Posso però conoscere la sua effettiva velocità. In conclusione: o conosco la sua posizione o la sua velocità.

25 Le 4 Forze che "reggono" l'universo
Tutti (o quasi …) i fenomeni naturali si spiegano mediante l’azione delle seguenti forze nucleare debole nucleare forte gravitazionale elettromagnetica un’idea antropomorfica, umanizzata, di forza “Sono quasi stufa di ombre” disse la signora Shalott Alfred Lord Tennyson I

26 SEMBRANO MOLTE MA … A prima vista le forze sembrano essere molte e assai diverse tra loro (forza peso, forza elettrica, forza magnetica, forze muscolari, forze di attrito, forze elastiche, resistenza dell’aria, forze intermolecolari …) ma non è così. Negli ultimi tre secoli i fisici si sono accorti che per spiegare ogni interazione tra corpi, ogni struttura che si possa osservare o creare nell’universo, bastano quattro forze.

27 gravitazionale La forza gravitazionale è comune a tutta la materia: tutti i corpi materiali si attraggono reciprocamente (non è mai repulsiva) elettromagnetica La forza elettromagnetica è prodotta dalle cariche elettriche: essa è sia attrattiva che repulsiva

28 La forza nucleare debole agisce all'interno dei nuclei atomici: essa è responsabile della radioattività nucleare debole nucleare forte La forza nucleare forte agisce all'interno dei nuclei atomici: essa tiene assieme protoni e neutroni

29 Gli effetti della forza di gravità (ipotetico mediatore di forza il gravitone) sono trascurabili nel mondo microscopico, nel mondo delle particelle, nel quale invece prevalgono altre forze di intensità decisamente superiore, come ad esempio la forza elettromagnetica che è miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di volte più grande della forza di gravità; erano noti fin dall’antichità fenomeni elettrici e magnetici (mediatore di forza il fotone).

30 Per i corpi di dimensioni astronomiche la forza preponderante è quella di gravità, che è solo attrattiva, mentre l'altra forza a raggio d'azione (range) infinito, è la forza elettromagnetica, che è repulsiva per cariche dello stesso segno e attrattiva per cariche di segno opposto e in grandi sistemi si media a zero. Se due persone avessero lo 0.01 delle cariche elettriche che le compongono non neutralizzate da altrettante cariche di segno opposto si attirerebbero o respingerebbero con una tale forza da poter sollevare una massa pari a quella del nostro pianeta; il fatto che questo non succeda neanche in piccola parte dà un'idea di quanto (per fortuna) è precisa la neutralizzazione delle cariche elettriche. (massa della Terra MT=5, kg)

31 e poi ci sono le due forze, ipotizzate intorno agli anni (Fermi e altri), a raggio d’azione corto (oltre una distanza dell'ordine di metri non si fanno più sentire): nucleare forte è indipendente dalla carica dei nucleoni (protoni e neutroni), quindi agisce nello stesso modo per i protoni così come per i neutroni (mediatori di forza i gluoni); nucleare debole si chiama debole perché è circa 109 volte, migliaia di migliaia di migliaia di volte, minore della forza nucleare forte (è mediata dai bosoni W e Z). È responsabile di certi decadimenti nucleari come il decadimento beta che trasforma un neutrone in protone piu’ elettrone, piu’ neutrino

32 In questi anni avviene l’elaborazione del Modello Standard.
Weinberg e Salam propongono separatamente una teoria che unifica elettromagnetismo e interazione debole. Formulazione di una teoria delle interazioni forti, suggerita da Fritzsch e Gell-Mann In questi anni avviene l’elaborazione del Modello Standard.

33 Ci sono quattro interazioni
Così è fatto il mondo….. Ora te lo spiego. Ci sono quattro interazioni fondamentali…. Papà, come è fatto il mondo? E’ dalla più remota antichità che l’uomo si interroga sulla struttura dell’Universo Fisico in cui vive e sulle Leggi che governano il suo essere ovvero il suo divenire. Il progresso sulla strada di tale comprensione che è stato compiuto nel XX secolo è strabiliante e non ha paragone rispetto ai progressi compiuti in tutti i secoli precedenti. Con un po’ di presunzione possiamo anche ipotizzare che probabilmente esso rimarrà straordinario anche rispetto ai progressi che verranno compiuti nei secoli successivi. Basti pensare che è soltanto dagli anni tra il 1920 ed il 1930 che si conoscono le reali dimensioni dell’Universo e la sua costante espansione, che la Relatività e la Meccanica Quantistica sono state scoperte nei primi trent’anni del secolo e che è soltanto in questo secolo che la struttura dell’atomo, del nucleo atomico e dei suoi componenti subnucleari sono state svelate. La straordinario successo del secolo XX si può però misurare facilmente sulla base di questa considerazione. Oggi noi sappiamo con ragionevole certezza che l’intero edificio dell’Universo è determinato da e si regge su quattro interazioni, o forze fondamentali. Di queste quattro interazioni soltanto due erano note all’inizio di questo secolo, ed una sola era stata sufficientemente compresa all’inizio del secolo decimottavo. E le quattro forze tengono insieme i mattoni elementari che costituiscono la materia….

34 Ma ci vuole una teoria…. Papà, esiste una teoria che descrive queste forze? La teoria della forza gravitazionale è la relatività generale di Einstein. Esiste dal La teoria delle altre tre forze è il Modello Standard….. La prima teoria fenomenologica delle interazioni deboli fu fatta da Enrico Fermi. A seguito degli studi teorici teorici degli anni dal 1950 al 1970 che introdussero e stabilirono su fermi principi una classe di teorie dette di Gauge, fu possibile, verso la fine degli anni 1960, introdurre una teoria unificata delle interazioni deboli ed elettromagnetiche denominata, dal nome dei suoi autori, teoria di Weinberg, Salam e Glashow. La teoria consistente delle interazioni forti, la cosiddetta quanto cromodinamica è storia assai recente. Infatti la cromodinamica è ben stabilita e giustificata sperimentalmente solo dalla metà degli anni ‘70 di questo secolo. La teoria dell’interazione gravitazionale è stata per duecento anni la legge di gravitazione universale di Newton. Quest’ultima, però, è incompatibile con i principi della relatività ristretta e quindi, in definitiva, inconciliabile con la teoria dell’eletromagnetismo. Per rimediare a questo problema Einstein introdusse nel 1916 la Relatività Generale che è la teoria gravitazionale in cui noi oggi crediamo. Essa ha superato tutti i test sperimentali e ci rende conto della struttura su grande scala dell’Universo e della sua espansione. Prevede l’esistenza dei buchi neri di cui oggi esiste anche sufficiente evidenza osservativa. Ed il Modello Standard è una teoria creata negli anni e sperimentalmente verificata solo dal 1983

35 Oggi abbiamo una buona teoria delle interazioni fondamentali…..
Il Modello Standard La gravità di Einstein spiega la legge di Newton, il moto dei pianeti, la struttura dell’Universo a grande scala La situazione intellettuale di uno studente in Fisica degli anni ‘ 90 è molto diversa da quella di un suo omologo degli anni ‘ 60 od anche dei primi anni ‘ 70. Allo studente contemporaneo ciò che il Corso di Laurea può presentare è una visione ancora imperfetta, ma coerente ed esauriente delle leggi fondamentali dell’Universo fisico. La Relatività Generale spiega la gravitazione ed è l’ambito in cui si può studiare la cosmologia. Ponendo insieme la cromodinamica quantistica che spiega le interazioni forti con la teoria unficata elettrodebole si ottiene il modello standard che spiega le interazioni non gravitazionali. L’intero edificio della Natura è ricondotto a pochi costituenti elementari che interagiscono tramite forze la cui legge è nota. Trent’anni fa, invece, non vi era alcuna teoria certa delle interazioni forti: l’universo subnucleare appariva ancora un indecifrabile rebus popolato da migliaia di particelle instabili sulla cui natura si discuteva. Nemmeno i principi su cui la teoria di questi fenomeni doveva fondarsi erano chiari ed universalmente accettati. Circolavano al contrario idee molto differenti tra di loro e contrapposte. Descrive le interazioni elettrodeboli e spiega la struttura dell’atomo e del nucleo atomico. Il Modello Standard contiene i mattoni fondamentali che costituiscono la materia

36 Il Modello Standard è bello ma…
Non può essere la Teoria Finale. Perché? Perché non spiega le masse dei quark e dei leptoni Perché… Soprattutto perché non unifica la gravità con il resto La strada verso la teoria finale di ogni cosa Il modello standard é molto bello ma….. Non può essere la Teoria Finale. Perché? Perché, ad esempio non offre alcuna spiegazione per i valori assunti dalle masse dei quarks e dei leptoni. Perché non da alcuna spiegazione dell’apparentemente fortuita ripetizione degli stessi leptoni e degli stessi quarks in tre famiglie identiche di massa crescente. Per molte altre ragioni che sarebbe difficile spiegare a questo livello. La ragione più ovvia e profonda é che il modello standard non unifica le altre interazioni con la gravità. Essa rimane anomala e differente e per di più piagata da un gravissimo problema. Benchè superbamente in accordo con l’esperimento a livello classico, ogni tentativo di rendere la Relatività Generale consistente con la meccanica quantistica senza tentare allo stesso tempo di unificarla con le altre interazioni è andato finora deluso. Dunque la fisica teorica ha un’ambiziosa strada davanti a sè da percorrere. Insegue una Teoria Finale che spieghi ogni cosa e sa che questa strada ha due passaggi obbligati: la quantizzazione della Relatività Generale e l’unificazione della medesima con il modello standard.

37 A questo proposito una breve parentesi storica
L'idea di unificare le forze nasce da molto lontano. Descrivere le diverse interazioni esistenti in natura in modo unificato è un fatto ricorrente nella fisica teorica. All’inizio del Novecento è nata l'unificazione tra la Relatività Ristretta e l‘Elettromagnetismo. Parallelamente, ai primi del Novecento, grazie ad Einstein, la Gravità è stata unificata con la Relatività Ristretta, dando luogo alla Relatività Generale.

38 Negli anni quaranta, dopo l'avvento della meccanica quantistica, è nata la QED (Quantum Electro Dynamics), l'elettrodinamica quantistica, che ha unificato la relatività ristretta e l'elettromagnetismo con, appunto, la meccanica quantistica. Negli anni Settanta infine il Modello Standard ha incluso anche le interazioni deboli e successivamente quelle forti, dando vita a un modello quantisticamente consistente (e dal punto di vista sperimentale ottimamente testato) di tre delle quattro interazioni: elettromagnetica, debole e forte. I

39 La forza secondo Aristotele
Filosofo greco ( a. C.) In Aristotele la forza ha il chiaro senso di causa. Nella sua concezione, quella della fisica antica, ogni moto ha una causa; per ogni corpo mosso, c'è un primo motore. Questa causa può essere dovuta alla natura del corpo per cui il moto è allora naturale; oppure esterna, che però è sempre forza a contatto come una spinta o una trazione. I

40 La forza secondo Cartesio
Scienziato e filosofo francese (1596 – 1650) Storia del concetto di forza (p. 117) In Cartesio la forza non c'è perché egli vuole servirsi unicamente della matematica. “Io non accetto – scriveva nei Principia Philosophiae – né desidero che si abbiano in fisica principi diversi da quelli che si hanno in geometria o nella matematica astratta, …” Il programma di Descartes era la geometrizzazione della fisica ancor prima che nascesse la meccanica classica.

41 La forza secondo Galilei
Scienziato e filosofo italiano (1564 – 1642) Storia del concetto di forza (p. 107) In Galilei la forza non c'è; perché lo sconfinare di questo concetto nella metafisica delle cause l'avrebbe trascinato sul terreno di Aristotele, facendogli abbandonare l’ evidenza sperimentale. Perciò Galilei giunge a parlare di "fantasie" a proposito della ipotesi che ci siano delle forze. Galileo studiò gli aspetti cinematici del moto occupandosi soprattutto del moto prodotto da una forza costante, pur senza penetrare nella natura della forza stessa.

42 “Non mi par tempo opportuno d’entrare al presente nell’investigazione della causa dell’accelerazione del moto naturale, intorno alla quale da varii filosofi varie sentenzie sono state prodotte … le quali fantasie, con altre appresso, converrebbe andare esaminando e con poco guadagno risolvendo …” Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze

43 La forza secondo Newton
Scienziato inglese ( ) In Newton la forza è sancita come fondante la meccanica e più in generale la fisica tutta (anche l'ottica era meccanica, perché per Newton riguardava le traiettorie di corpuscoli materiali). Il suo secondo principio stabilisce una relazione tra accelerazione, massa e forza. Non ha importanza per lui che i concetti di forza e di massa siano mal definiti (la massa) o affatto definiti (la forza);

44 Anche per Newton forza-causa
L'enunciato del secondo principio addirittura parla non di forza, ma di impulso o spinta (in quanto questo concetto è uguagliato alla semplice variazione della quantità di moto, non alla sua derivata (variazione nel tempo e cioè rapidità di variazione della quantità di moto); perciò corrisponde al suo significato antropomorfo di forza-spinta. È chiaro che Newton è tornato al concetto di forza-causa, cioè è sconfinato nella metafisica, così come d'altronde fa manifestamente con i concetti di spazio assoluto e tempo assoluto.

45 Volo ergo sum Storia del concetto di forza (p. 245) C’era chi sosteneva (Maine de Biran) che, in quanto manifestazione della nostra volontà, il concetto di forza costituisce la prima nozione accertata e infallibile, anteriore persino alla nozione della nostra esistenza. Anche Schopenhauer pur non condividendo totalmente un simile pensiero, affermava che il concetto di volontà e di conseguenza quello di forza, sono gli unici a non scaturire dal fenomenico, ma a venire dall’interno. La nozione di forza è l’ultima a dover essere messa in discussione.

46 L’antropomorfismo Storia del concetto di forza (p. 249) Il concetto scientifico di forza si è storicamente formato in analogia alla sensazione di tensione o di sforzo sperimentata dall’uomo. Poincaré sostiene che l’antropomorfismo ha svolto un ruolo importante nella genesi della meccanica. Esso potrà avere un valore euristico anche per il futuro, fornendo nozioni simboliche che potrebbero risultare utili, ma non potrà mai servire come fondazione del vero ragionamento scientifico.

47 La vecchia teoria dell’azione a distanza
La teoria dell’azione a distanza, che istantaneamente si propaga da un oggetto all’altro, fu progressivamente sostituita, dopo il 1800, prima da Faraday e poi da Maxwell, con la teoria di CAMPO. Come una massa gravitazionale agisce su una seconda massa per mezzo del campo gravitazionale da essa generato, così una carica elettrica agisce su una seconda carica elettrica non direttamente ma mediante il campo elettrico che essa stessa genera, inteso come modificazione dello spazio circostante indipendentemente dalla presenza di una seconda carica … Nella fisica moderna ogni interazione, è descritta da un campo.

48 La critica moderna al concetto di forza
John Barrow Teorie del tutto (p. 157) La teoria einsteiniana della gravitazione ci ha insegnato, che il concetto di forza potrebbe essere solo un comodo antropomorfismo. Secondo la concezione classica, le leggi fisiche sono un insieme di regole che stabiliscono come i corpi (particelle) reagiscano all’azione di certe «forze» presenti tra loro, quando tali corpi (particelle) sono collocati nello spazio tradizionale, la cui geometria è quella di Euclide.

49 John Barrow Teorie del tutto (p. 157)
La teoria della Relatività Generale ci ha fornito una descrizione della gravità assai più elaborata: la presenza dei corpi (particelle) e il loro moto determinano la topografia locale dello spazio in cui si trovano. Non vi sono più forze misteriose che agiscono tra corpi contigui, ma ciascuno ora si muove lungo la traiettoria più economica tra quelle accessibili nello spazio ondulato creato da tutte la materia presente nell’Universo

50 La forza nella scienza contemporanea
John Barrow Teorie del tutto (p. 158 ) La nozione di forza gravitazionale è stata ricompresa nella più elegante e potente concezione di una geometria dinamica dello spazio-tempo. Ma allora forse una potenziale teoria del tutto, come la teoria delle corde, che includa e sostituisca la teoria della gravitazione di Einstein e la unifichi con la forza elettromagnetica e anche con le altre due forze, può portare alla dissoluzione pure di queste forze?

51 Il concetto di forza nella scienza contemporanea quindi …
John Barrow Teorie del tutto (p. 158 ) … spiriti, e scomparvero nell’aria leggera. Come l’opera effimera del mio miraggio … non lasceranno orma.

52 John Barrow Teorie del tutto (p. 158 - 159 )
La teoria delle corde John Barrow Teorie del tutto (p ) La teoria delle corde promette di fare un passo avanti rispetto alla descrizione di Einstein, nella quale la forza viene assunta nella geometria dello spazio-tempo curvo. La teoria delle corde punta a modificare la nostra rappresentazione del mondo, dandoci una teoria della gravità quantistica. Le altre teorie dei fenomeni quantistici portano sempre a qualche incoerenza, quando si tenta di includervi la gravità, mentre la teoria delle corde ha bisogno che la gravità esista per poter essere coerente.

53 La forza è stata protagonista
Max Jammer (p. 255 e p. 262 ) Il concetto di forza ha avuto una parte straordinariamente importante nel progresso della scienza. Essa appariva come il denominatore comune di tutti i fenomeni fisici e appariva come uno strumento assai promettente al fine di ridurre tutti i fenomeni fisici a una sola legge fondamentale. La fisica moderna riconosce che il concetto di forza, sia in statica sia in dinamica, e quindi in ogni altro settore della fisica in cui si prendono in considerazione le forze motrici, è un intermediario metodologico che di per sé non ha nessun potere esplicativo.

54 La forza mette in relazione
Max Jammer Storia del concetto di forza p. 258 Nella fisica contemporanea il concetto di forza svolge un ruolo metodologicamente intermedio, in analogia col cosiddetto termine medio del sillogismo tradizionale. Tutti gli uomini sono mortali, Socrate è un uomo quindi Socrate è mortale N. B. scompare il termine uomo dalla conclusione, serve solo da intermediario per poter concludere che Socrate certamente morirà. Si ragiona in modo analogo per predire che un corpo A circondato da una costellazione di corpi C D E si muove lungo una certa traiettoria B: la costellazione di corpi C D E … esercitano una “forza” … su A e questo fa sì che il corpo A si muova lungo la traiettoria B. La conclusione finale, che il corpo si muove lungo una traiettoria B, non ha in sé il termine forza, è solo cinematica! La forza mette in relazione, serve da tramite tra la presenza dei corpi C D E … e il moto del corpo A.

55 Università di Udine – dipartimento di fisica
La forza è un modello Università di Udine – dipartimento di fisica Nella realtà non esistono forze, esistono solo corpi che interagiscono ed il vettore forza è la rappresentazione (il modello) dell’ interazione. Le forze non si danno isolatamente ma a coppie perché sono almeno due i corpi che interagiscono

56 La forza in MQ Max Jammer Storia del concetto di forza p. 264 Se nella fisica classica il concetto di forza è un espediente per l’economia di pensiero, basato sull’analogia con l’esperienza umana, lo è ancor più nella meccanica dei quanti. In MQ viene introdotto in totale analogia alla dinamica macroscopica e, per conseguenza, è a rigor di termini l’analogia di un’analogia. Nessuno ha mai dimostrato direttamente la forza d’attrazione tra un protone e un elettrone (l’elettrone si comporta come se fosse attratto). Eppure usiamo per l’energia potenziale il termine e2/r, trasportandolo per così dire dalla dinamica classica come una generalizzazione che si basa sul concetto di forza.

57 L’analogia di una analogia
Max Jammer Storia del concetto di forza p. 268 e p. 274 Non ci si può attendere che la meccanica dei quanti possa condurre a una revisione della concezione classica di forza, fino a quando dovrà prendere a prestito una parte delle proprie concezioni di base dalla dinamica classica e sino a quando non avrà un apparato concettuale indipendente dal punto di vista logico e metodologico. Infine la nozione di forza di scambio pur essendo un concetto puramente quantistico, non costituisce una nuova concezione della forza in quanto tale. Il suo carattere non convenzionale sta nell’ipotesi di uno scambio continuo di particelle che accompagna l’interazione e che trasmette la forza – un processo che riceve una giustificazione di carattere operativo attraverso il principio di indeterminazione di Heisenberg.

58 La forza di scambio della MQ
H. Pageis Il codice cosmico p.266 Consideriamo due fotoni identici separati da una distanza x. C’è una probabilità diversa da zero che i due fotoni si trovino sovrapposti nello stesso punto. Se questa probabilità è maggiore della probabilità che i due fotoni risultino separati, fra essi sembra esercitarsi una “forza” attrattiva. Di fatto non c’è alcuna forza “reale”, ma semplicemente una probabilità maggiore che i fotoni siano l’uno vicino all’altro anziché lontani. Si tratta solo di probabilità ma si presenta come se fosse una forza: i fisici la chiamano forza di scambio

59 Una probabilità è una forza?!?
H. Pageis Il codice cosmico p. 266 Ma come può una probabilità manifestarsi con i connotati di una forza? Se lanciamo due dadi e consideriamo la somma dei numeri che escono, la somma va da 2 a 12. Il 7 però è il numero che è più probabile ottenere (1 e 6, 2 e 5, 3 e 4, 4 e 3, 5 e 2, 6 e 1, 6 casi favorevoli su 36 possibili, probabilità 1/6). Il 2 (1 e 1) e il 12 (6 e 6) sono invece i meno probabili. Dopo numerosi lanci avremmo potuto pensare che il dado venisse attratto dal 7 più che dal 2 e dal 12. Se un evento è altamente probabile sembra quasi che vi sia una “forza” attrattiva che gli impone verificarsi. Viceversa se è poco probabile sembra che esista una “forza” repulsiva che gli impedisca di verificarsi.

60 La teoria quantistica del campo
Nel tentativo di spiegare come i corpi possano interagire a distanza. venne introdotto nell’Ottocento il concetto di campo: l’azione della forza (gravitazionale, elettrica, magnetica eccetera) non ha luogo direttamente ma ciascun corpo genera nello spazio un alone invisibile di influenza. Un altro corpo che venga a trovarsi in questo campo percepisce una forza. Qualsiasi particella che possieda una massa è dunque sorgente di un campo gravitazionale, che si estende indefinitamente in tutte le direzioni. Se poi è dotata di carica elettrica è anche sorgente di un campo elettromagnetico, altrettanto esteso.

61 A partire dagli anni Trenta, con l' affermarsi della meccanica quantistica subentrò un altro modo di considerare l' azione di una forza. A livello microscopico l' interazione tra due particelle venne immaginata come lo scambio virtuale di una terza particella. Ogni volta che la particella A emette una particella di scambio, rincula come se avesse sparato un proiettile, e ogni volta che la particella B riceve una particella di scambio viene spinta all' indietro dall' urto. Così facendo, le particelle A e B si allontanano l' una dall' altra. proprio come se si respingessero a vicenda. Poi c'è il caso opposto: la particella di scambio si comporta come un boomerang spostandosi da dietro la particella A a dietro la particella B, in modo tale che l' effetto diventa quello di avvicinare le due particelle. proprio come se si fossero attirate reciprocamente.

62 PARTICELLA INAFFERRABILE
Secondo questo modo di vedere (descritto dalle cosiddette teorie di gauge) tutte le forze sarebbero il risultato di scambi di particelle, che hanno il compito di trasportarne l’azione. Nel caso della forza elettromagnetica. la particella portatrice è il fotone. Per la forza debole sono i cosiddetti bosoni W e Z. Per la forza forte sono i gluoni dall’inglese glue. "colla": un nome particolarmente azzeccato per qualcosa che deve tenere tenacemente uniti i "pezzi" di un nucleo atomico. Dal 1982 l’esistenza e le proprietà di questi tre tipi di particelle mediatrici, sono state definitivamente stabilite sperimentalmente. I fisici ritengono che anche la forza gravitazionale abbia una particella associata, il gravitone ma la sua esistenza non è stata ancora provata. L’intrinseca debolezza della gravità rende infatti la sua ricerca un’impresa.

63 La forza nella RG Max Jammer Storia del concetto di forza p. 272 Fu la teoria della relatività generale a condurre a una più profonda revisione del concetto di forza, secondo un processo che è ancor oggi non concluso. Esso ha avuto successo fino ad ora solo con le forze gravitazionali. La sua generalizzazione a forze non gravitazionali, è strettamente connessa al problema delle cosiddette “teorie del campo unificato” I

64 L’eliminazione del concetto di forza
Max Jammer Storia del concetto di forza p. 274 In linea di principio l’eliminazione del concetto (relazionale) di forza si ottiene nella relatività generale, mediante il seguente espediente metodologico. La “forza” è definita per mezzo della deviazione di una particella dalla sua traiettoria “naturale” nello spazio tempo. La traiettoria di una particella è detta naturale se nessuna forza è applicata alla particella stessa.

65 Il circolo vizioso presente può essere spezzato in due modi
Max Jammer Storia del concetto di forza p. 274 Il circolo vizioso presente può essere spezzato in due modi Una traiettoria “naturale” nello spazio-tempo può essere interpretata come un moto rettilineo uniforme rispetto al “sistema inerziale delle stelle fisse” (FC)  forze gravitazionali + spazio-tempo euclideo Una traiettoria naturale nello spazio-tempo può essere interpretata come una geodetica in un continuo riemanniano (RG)  senza forze gravitazionali e spazio-tempo non-euclideo di curvatura variabile

66 Solo in assenza di materia gravitazionale lo spazio-tempo riemanniano diventa di tipo euclideo e le geodetiche sono le linee rette della geometria euclidea. In tal modo la gravitazione non possiede nella realatività generale le caratteristiche di una forza. Si può così rendere ragione degli eventi meccanici mediante concezioni puramente geometriche-cinematiche

67 Max Jammer Storia del concetto di forza p. 278
Queste considerazioni ci hanno portato alla frontiera della ricerca contemporanea in fisica teorica. Se fosse possibile elaborare un teoria di campo unificata in cui le forze elettromagnetiche e, possibilmente, anche le forze nucleari, fossero soggette a una trattazione simile a quella della gravitazione, essa ci condurrebbe a uno stadio finale del concetto di forza.

68 Eliminazione di tutte le forze?!?
Max Jammer Storia del concetto di forza p. 278 Mentre la trattazione moderna della meccanica classica ammetteva, con un atteggiamento che potremmo definire tollerante, il concetto di forza come intermediario metodologico, la teoria dei campi dovrebbe bandirlo per sempre anche da quest’ultima posizione.

69 Una storia esemplare Max Jammer Storia del concetto di forza - quarto di copertina La storia del concetto di forza è la storia dell’avvento della scienza moderna; è la storia di come una nozione scientifica fondamentale si sia liberata progressivamente di certe stratificazioni psicologiche, religiose, mistiche … I

70 BIBLIOGRAFIA SITI INTERNET
Storia del concetto di forza MAX JAMMER - Feltrinelli Storia del concetto di spazio MAX JAMMER - Feltrinelli Fisica intuitiva LE SCIENZE Teorie del tutto JOHN BARROW - Adelphi La sintesi einsteiniana MAX BORN - Boringhieri Il codice cosmico HEINZ PAGEIS - Boringhieri SITI INTERNET Pietro Frè Arrigo Amadori