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

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

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

5 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! le 4 forze le 4 forze fisica ingenua - intuitiva fisica ingenua - intuitiva fisica sperimentale fisica sperimentale La classica mela chiede spiegazioni …

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

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

8 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 UNA FOLLA DI PARTICELLE QUANTI MEDIATORI = PARTICELLE FORZA teoria quantistica del campo teoria quantistica del campo ruolo debole della forza ruolo debole della forza IIII

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

10 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 daltro 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. LE SUPERSTRINGHE RISOLVEREBBERO IL PROBLEMA DELLA GRAVITÀ Supergravità - teoria M Supergravità - teoria M

11 Newton – Einstein - Bohr e altri Newton – Einstein - Bohr e altri Ma sappi comunque, cara mela, che cè 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 allatòmo, ne ha create di teorie l essere umano, ma che sia proprio così non lo sappiamo. LE TEORIE TRA FANTASIA E REALTÀ torna indietro torna indietro IIII

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

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

14 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 luscita dalla buca. Secondo la fisica quantistica 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 levento si verifichi. torna indietro torna indietro

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

16 torna indietro torna indietro 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 Non sappiamo se una pallina particolare passa o no, possiamo solo sapere la probabilità che ha di attraversare la barriera, PERÒ 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. Passa attraverso un tunnel se abbiamo tante palline, supponiamo che ognuna abbia un nome, possiamo prevedere la

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

18 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 lambiente intorno allelettrone, permettendogli di passare come in un tunnel, attraverso una barriera, verso una regione posta dallaltra parte della barriera allinterno della quale può propagarsi. 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 leffetto 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.

19 IL PIPISTRELLO E LE DUE DONNOLE 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 unaltra 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 lha scampata per due volte … In un certo senso, le particelle quantiche hanno unambiguità simile a quella dei pipistrelli di La Fontaine. Il loro aspetto dipende dal particolare contesto in cui vengono osservate. ONDA o PARTICELLA?

20 La quantità di energia che una particella possiede determina anche quello che una particella può fare. Lenergia si presenta in molte forme. Può apparire come lenergia 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 loggetto cade (trasformandosi in energia cinetica). LEFFETTO TUNNEL E IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (PI) IIII

21 Lenergia 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. t E Se un fenomeno avviene in un tempo molto breve, quindi t è molto piccolo, lenergia 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 Se un processo è particolarmente veloce, può, nei suoi stadi intermedi, non obbedire al principio di conservazione dellenergia. Lenergia 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. IIII

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

24 Ad esempio illuminiamo un elettrone per osservarlo. Se colpiamo una boccia con unaltra boccia perturbiamo il suo stato. Analogamente i fotoni, colpendo lelettrone, perturbano il suo stato, e quindi non possiao più conoscere la LOSSERVATORE in Quantistica in Meccanica Quantistica Ahi, ma guarda questi!!! Perché non si fanno i fatti loro?!? Questi fotoni mi hanno messo unagitazione ! Per osservare qualcosa dobbiamo farlo interagire con uno strumento di misura.. torna indietro torna indietro IIII 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. La fisica si occupa di ciò che può essere osservato IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE

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

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 dellaria, 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 nelluniverso, bastano quattro forze.

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

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

29 forza di gravità 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, forza elettromagnetica 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 dallantichità 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 M T =5, kg)

31 e poi ci sono le due forze, ipotizzate intorno agli anni (Fermi e altri), a raggio dazione corto (oltre una distanza dell'ordine di metri non si fanno più sentire): nucleare forte 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 nucleare debole si chiama debole perché è circa 10 9 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 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 Modello Standard. In questi anni avviene lelaborazione del Modello Standard. MODELLO STANDARD MODELLO STANDARD IIII

33 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. La forza secondo Aristotele Filosofo greco ( a. C.) IIII

34 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, … la geometrizzazione della fisica Il programma di Descartes era la geometrizzazione della fisica ancor prima che nascesse la meccanica classica. La forza secondo Cartesio Scienziato e filosofo francese (1596 – 1650) Storia del concetto di forza (p. 117)

35 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. La forza secondo Galilei Scienziato e filosofo italiano (1564 – 1642) Storia del concetto di forza (p. 107)

36 Non mi par tempo opportuno dentrare al presente nellinvestigazione della causa dellaccelerazione 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

37 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); La forza secondo Newton Scienziato inglese ( )

38 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. Anche per Newton forza-causa

39 Cera 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 dallinterno. La nozione di forza è lultima a dover essere messa in discussione. Volo ergo sum Storia del concetto di forza (p. 245)

40 Il concetto scientifico di forza si è storicamente formato in analogia alla sensazione di tensione o di sforzo sperimentata dalluomo. Poincaré sostiene che lantropomorfismo 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. Lantropomorfismo Storia del concetto di forza (p. 249)

41 CAMPO La teoria dellazione a distanza, che istantaneamente si propaga da un oggetto allaltro, 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 Nella fisica moderna ogni interazione, è descritta da un campo. La vecchia teoria dellazione a distanza

42 il concetto di forzaun comodo antropomorfismo. 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 allazione di certe «forze» presenti tra loro, quando tali corpi (particelle) sono collocati nello spazio tradizionale, la cui geometria è quella di Euclide. La critica moderna al concetto di forza John Barrow Teorie del tutto (p. 157)

43 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 nellUniverso John Barrow Teorie del tutto (p. 157)

44 La forza nella scienza contemporanea 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? John Barrow Teorie del tutto (p. 158 )

45 … spiriti, e scomparvero nellaria leggera. Come lopera effimera del mio lasceranno miraggio … non lasceranno orma. Il concetto di forza nella scienza contemporanea quindi … John Barrow Teorie del tutto (p. 158 )

46 La teoria delle corde 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. John Barrow Teorie del tutto (p )

47 La forza è stata protagonista 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. Max Jammer (p. 255 e p. 262 )

48 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. Max Jammer Storia del concetto di forza p. 258 La forza mette in relazione

49 1.Nella realtà non esistono forze, esistono solo corpi che interagiscono ed il vettore forza è la rappresentazione (il modello) dell interazione. 2.Le forze non si danno isolatamente ma a coppie perché sono almeno due i corpi che interagiscono La forza è un modello Università di Udine – dipartimento di fisica

50 Se nella fisica classica il concetto di forza è un espediente per leconomia di pensiero, basato sullanalogia con lesperienza umana, lo è ancor più nella meccanica dei quanti. lanalogia di unanalogia In MQ viene introdotto in totale analogia alla dinamica macroscopica e, per conseguenza, è a rigor di termini lanalogia di unanalogia. Nessuno ha mai dimostrato direttamente la forza dattrazione tra un protone e un elettrone (lelettrone si comporta come se fosse attratto). Eppure usiamo per lenergia potenziale il termine e 2 /r, trasportandolo per così dire dalla dinamica classica come una generalizzazione che si basa sul concetto di forza. Max Jammer Storia del concetto di forza p. 264 La forza in MQ

51 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 nellipotesi di uno scambio continuo di particelle che accompagna linterazione e che trasmette la forza – un processo che riceve una giustificazione di carattere operativo attraverso il principio di indeterminazione di Heisenberg. Max Jammer Storia del concetto di forza p. 268 e p. 274 Lanalogia di una analogia

52 Consideriamo due fotoni identici separati da una distanza x. Cè 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. forza di scambio Di fatto non cè alcuna forza reale, ma semplicemente una probabilità maggiore che i fotoni siano luno vicino allaltro anziché lontani. Si tratta solo di probabilità ma si presenta come se fosse una forza: i fisici la chiamano forza di scambio H. Pageis Il codice cosmico p.266 La forza di scambio della MQ

53 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. H. Pageis Il codice cosmico p. 266 Una probabilità è una forza?!?

54 Nel tentativo di spiegare come i corpi possano interagire a distanza. venne introdotto nellOttocento il concetto di campo: lazione 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. La teoria quantistica del campo

55 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 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.

56 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 lazione. 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 dallinglese glue. "colla": un nome particolarmente azzeccato per qualcosa che deve tenere tenacemente uniti i "pezzi" di un nucleo atomico. Dal 1982 lesistenza e le proprietà di questi tre tipi di particelle mediatrici, sono state definitivamente stabilite sperimentalmente Dal 1982 lesistenza e le proprietà di questi tre tipi di particelle mediatrici, sono state definitivamente stabilite sperimentalmente. il gravitonela sua esistenza non è stata ancora provata I fisici ritengono che anche la forza gravitazionale abbia una particella associata, il gravitone ma la sua esistenza non è stata ancora provata. Lintrinseca debolezza della gravità rende infatti la sua ricerca unimpresa. PARTICELLA INAFFERRABILE

57 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. teorie del campo unificato La sua generalizzazione a forze non gravitazionali, è strettamente connessa al problema delle cosiddetteteorie del campo unificato Max Jammer Storia del concetto di forza p. 272 La forza nella RG IIII

58 Leliminazione del concetto di forza In linea di principio leliminazione 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. Max Jammer Storia del concetto di forza p. 274

59 Il circolo vizioso presente può essere spezzato in due modi 1)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 2)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 Max Jammer Storia del concetto di forza p. 274

60 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

61 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. Max Jammer Storia del concetto di forza p. 278

62 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 questultima posizione. Max Jammer Storia del concetto di forza p. 278 Eliminazione di tutte le forze?!?

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

64 BIBLIOGRAFIA Storia del concetto di forzaMAX JAMMER - Feltrinelli Storia del concetto di spazioMAX JAMMER - Feltrinelli Fisica intuitivaLE SCIENZE Teorie del tuttoJOHN BARROW - Adelphi La sintesi einsteinianaMAX BORN - Boringhieri Il codice cosmicoHEINZ PAGEIS - Boringhieri SITI INTERNET Pietro Frèhttp://www.to.infn.it/%7Efre/index.htmhttp://www.to.infn.it/%7Efre/index.htm Arrigo Amadori


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