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LA NUOVA FISICA “La fisica, così come la conosciamo, sarà completata in pochi mesi”

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Presentazione sul tema: "LA NUOVA FISICA “La fisica, così come la conosciamo, sarà completata in pochi mesi”"— Transcript della presentazione:

1 LA NUOVA FISICA “La fisica, così come la conosciamo, sarà completata in pochi mesi”

2 LA NUOVA FISICA Lo avrebbe detto Lord Kelvin poco prima della scoperta dell’elettrone… In un certo senso Kelvin aveva ragione LA FISICA CLASSICA ERA COMPIUTA UNA NUOVA FISICA STAVA PER NASCERE

3 IL MODELLO CLASSICO La fisica classica descrive il mondo come un insieme di particelle in uno spazio-tempo fissi, interagenti tra di loro per mezzo del campo gravitazionale e di quello elettromagnetico, definiti dalle leggi di Newton e dalle equazioni di Maxwell

4 LA NUOVA FISICA Nuovi esperimenti e nuove ipotesi rivelano, ai primi del ‘900, che la fisica classica è PIENA DI CONTRADDIZIONI

5 LA NUOVA FISICA La soluzione di queste contraddizioni porterà ad una PROFONDA RIVOLUZIONE nel campo della scienza Molti vecchi pregiudizi dovranno essere abbandonati Molti vecchi pregiudizi dovranno essere abbandonati Molte nuove scoperte verranno fatte Molte nuove scoperte verranno fatte Molti nuovi problemi, tuttora irrisolti, verranno posti Molti nuovi problemi, tuttora irrisolti, verranno posti

6 LIMITI DI VELOCITA’ Nella fisica classica non esiste una velocità limite La RELATIVITA’ RISTRETTA RELATIVITA’ RISTRETTARELATIVITA’ RISTRETTA fissa la velocità della luce nel vuoto come VELOCITA’ LIMITE C = Km/s Michelson e Morley dimostrarono sperimentalmente questo principio

7 TEMPO ASSOLUTO Nella fisica classica il tempo è un dato immutabile indipendente da ogni fenomeno fisico (Newton) Newton NELLA FISICA MODERNA NO

8 TEMPO E GRAVITAZIONE Lo scorrere del tempo dipende dalla gravitazione IL TEMPO RALLENTA IN PRESENZA DI UN FORTE CAMPO GRAVITAZIONALE

9 SPAZIO ASSOLUTO Nella fisica classica lo spazio è un dato immutabile indipendente da ogni fenomeno fisico (Newton) e la geometria data a priori è quella euclidea (Kant) Newton NELLA FISICA MODERNA NO

10 SPAZIO E GRAVITAZIONE La gravitazione DEFORMA LO SPAZIO conferendogli una CURVATURA La geometria è determinata dal campo gravitazionale La geometria è determinata dal campo gravitazionale Gauss fu uno dei primi matematici a ipotizzare uno spazio curvo

11 SPAZIO E GRAVITAZIONE Una delle più spettacolari conferme della curvatura dello spazio è l’effetto LENTE GRAVITAZIONALE: la massa di una galassia devia la luce proveniente da un quasar e ne sdoppia l’immagine

12 ENERGIA E MASSA Nella fisica moderna la MASSA è una FORMA DI ENERGIA L’equivalenza è data dalla formula di Einstein

13 ENERGIA E MASSA Le particelle si possono CREARE, DISTRUGGERE, TRASFORMARE LE UNE NELLE ALTRE, basta che sia rispettato il principio di conservazione dell’energia

14 ENERGIA E MASSA In questa immagine la creazione di una coppia elettrone- positrone a partire dall’energia di un fotone

15 CAMPI O PARTICELLE La fisica classica distingue nettamente tra PARTICELLE (la materia) e CAMPI DI FORZA Il ruolo dei campi è quello di MEDIARE le interazioni tra particelle

16 LA MATERIA La dinamica dei corpi materiali è determinata dalla seconda legge di Newton

17 I CAMPI La dinamica dei campi è determinata: Per il campo gravitazionale dalla legge di Newton

18 I CAMPI Per il campo elettromagnetico dalle equazioni di Maxwell

19 LE ONDE Nei campi le perturbazioni si propagano SOTTO FORMA DI ONDE Luce = onda elettromagnetica

20 CAMPI E PARTICELLE Nella fisica moderna la distinzione tra campi e particelle sparisce I CAMPI POSSONO COMPORTARSI COME PARTICELLE I CAMPI POSSONO COMPORTARSI COME PARTICELLE LE PARTICELLE POSSONO COMPORTARSI COME CAMPI LE PARTICELLE POSSONO COMPORTARSI COME CAMPI

21 IL FOTONE In molti fenomeni (spettro atomico, effetto fotoelettrico, effetto Compton) la luce sembra fatta di particelle, dette fotoelettrico effetto Comptonfotoelettrico effetto ComptonFOTONI

22 IL FOTONE L’ENERGIA DEL FOTONE dipende dalla FREQUENZA DELL’ONDA secondo la relazione di Planck

23 L’ELETTRONE A loro volta gli elettroni possono comportarsi come onde (Esperienza di Davisson e Germer, effetto tunnel) Esperienza di Davisson e GermerEsperienza di Davisson e Germer

24 Effetto tunnel Con l’effetto tunnel una particella può superare un ostacolo che, dal punto di vista classico, la dovrebbe respingere

25 L’ELETTRONE La lunghezza d’onda dell’onda materiale associata all’elettrone dipende dalla massa e dalla velocità secondo la relazione di De Broglie

26 ONDE O PARTICELLE? I corpi microscopici non sono né onde né particelle in senso classico Dipende dall’ESPERIMENTO che si compie quale delle due nature si manifesta (Principio di Complementarietà, Bohr)

27 L’OGGETTIVITA’ CLASSICA In fisica classica si assume come preconcetto che ogni grandezza sia misurabile con infinita precisione NELLA FISICA MODERNA NO

28 IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE La doppia natura di onda e particella pone drastiche limitazioni alla nostra conoscenza (Heisenberg) misure di posizione e velocità misure di posizione e velocità misure di tempo ed energia misure di tempo ed energia misure di campo elettrico e magnetico misure di campo elettrico e magnetico Non sono possibili simultaneamente

29 O, PIU’ PRECISAMENTE… …Se Δx è l’imprecisione nella misura della posizione e Δp quella nella misura della quantità di moto, il loro prodotto non può essere inferiore alla costante di Planck

30 INDETERMINAZIONE Quindi: Se si misura con grande esattezza la posizione la velocità sarà soggetta a grande incertezza Se si misura con grande esattezza la posizione la velocità sarà soggetta a grande incertezza Se si misura con grande esattezza la velocità la posizione sarà soggetta a grande incertezza Se si misura con grande esattezza la velocità la posizione sarà soggetta a grande incertezza

31 ANALOGAMENTE… …Se ΔE è l’imprecisione nella misura dell’energia e Δt quella misura del tempo, il loro prodotto non può essere inferiore alla costante di Planck

32 QUINDI… …per misurare bene l’energia ci vuole molto tempo: una misura istantanea di energia non può che dare risultati molto incerti

33 IL VUOTO NON E’ VUOTO Per effetto di questo principio nel vuoto possono apparire dal nulla PARTICELLE VIRTUALI Basta che spariscano prima che l’indeterminazione sui valori di energia le renda osservabili

34 IL VUOTO NON E’ VUOTO La vita T di una particella di energia E=mc 2 è fissata dalla relazione di indeterminazione

35 IL VUOTO NON E’ VUOTO Queste particelle virtuali riempiono il VUOTO QUANTISTICO, che quindi è molto diverso dal vuoto classico Effetti misurabili (Casimir)

36 Effetto Casimir Tra due piastre si esercita un’attrazione dovuta al fatto che all’interno si possono creare solo particelle virtuali con lunghezza d’onda sottomultipla della distanza, mentre fuori non c’è limite: l’interno quindi è “più vuoto” dell’esterno

37 LA CAUSALITA’ Causalità classica: Per ogni EFFETTO c’è un’unica CAUSA Per ogni EFFETTO c’è un’unica CAUSA Per ogni CAUSA un unico EFFETTO esattamente prevedibile Per ogni CAUSA un unico EFFETTO esattamente prevedibile NELLA FISICA MODERNA NO

38 UNA TEORIA PROBABILISTICA La meccanica quantistica è una teoria PROBABILISTICA Born e Dirac, due dei padri della meccanica quantistica

39 UNA TEORIA PROBABILISTICA Un sistema fisico dato in uno stato iniziale S o può evolvere negli stati S 1, S 2, S 3 … Tutto ciò che possiamo calcolare è la PROBABILITA’ che ciascuno di questi stati si realizzi

40 UNA TEORIA PROBABILISTICA Solo quando si fa un ESPERIMENTO per determinare lo stato una di queste probabilità si realizza, mentre le altre si annullano

41 UNA TEORIA PROBABILISTICA Le probabilità Ψ dei vari stati si calcolano a partire da S o con una formula detta equazione di Schrödinger L’ equazione di Schrödinger prende il posto della seconda legge di Newton

42 COSA SONO GLI ORBITALI Gli orbitali atomici sono la rappresentazion e grafica della probabilità di trovare l’elettrone in un dato punto Orbitale 3d

43 LA QUANTIZZAZIONE Nel modello classico l’energia, la velocità, il momento angolare, insomma le grandezze caratterizzanti di una particella possono assumere qualsiasi valore NELLA FISICA MODERNA NO

44 LA QUANTIZZAZIONE Per l’elettrone di un atomo non solo l’energia è numerata, ma anche: L’orientamento del piano orbitale L’orientamento del piano orbitale Il momento angolare orbitale Il momento angolare orbitale Lo spin Lo spin Help! Cosa sono questi?

45 LA QUANTIZZAZIONE I numeri che definiscono queste cose sono i noti quattro NUMERI QUANTICI n energia n energia l momento angolare orbitale l momento angolare orbitale m orientamento orbita m orientamento orbita s spin s spin

46 LO SPIN Lo spin di una particella può assumere solo valori che sono multipli interi o seminteri di una unità fondamentale ħ Interi: 1, 2, 3, 4… Interi: 1, 2, 3, 4… Seminteri: 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 … Seminteri: 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 …

47 LO SPIN La unità base non è altro che la costante di Planck divisa per 2π, ovvero:

48 FERMIONI E BOSONI Le particelle con spin intero si dicono BOSONI Le particelle con spin intero si dicono BOSONI Le particelle con spin semintero si dicono FERMIONI Le particelle con spin semintero si dicono FERMIONI

49 FERMIONI E BOSONI I fermioni seguono il PRINCIPIO DI ESCLUSIONE (Pauli): in un sistema di particelle non possono esistere due fermioni con gli stessi numeri quantici Elettroni, protoni e neutroni sono fermioni

50 FERMIONI E BOSONI I bosoni invece NON SEGUONO il principio di esclusione I fotoni sono bosoni PAULI BOSE FERMI

51 L’IMPORTANZA DI ESSERE FERMIONI Se gli elettroni fossero bosoni starebbero tutti nel livello 1s, non ci sarebbero orbitali da completare, non ci sarebbe legame chimico, non ci saremmo noi…

52 LE SIMMETRIE Simmetria significa invarianza rispetto ad una trasformazione Ad esempio un triangolo isoscele resta invariato se lo si ribalta intorno all’altezza

53 LE SIMMETRIE I primi a capire l’importanza della simmetria sono stati…gli architetti… La facciata di un tempio greco è simmetrica rispetto alla linea mediana

54 ALTRE SIMMETRIE Un esagono è simmetrico per una rotazione di 60° intorno al centro… Una striscia è simmetrica rispetto a una traslazione parallela ai suoi lati…

55 FISICA E SIMMETRIE In fisica la simmetria non ha un ruolo estetico Le SIMMETRIE sono strettamente legate ai PRINCIPI DI CONSERVAZIONE PRINCIPI DI CONSERVAZIONE

56 COSA E’ SIMMETRICO? Le simmetrie sono facili da capire nelle figure geometriche, ma le leggi fisiche non si esprimono tramite FUNZIONI MATEMATICHE Sono queste a dover possedere speciali simmetrie

57 LA PARITA’ Un esempio di simmetria è la PARITA’ La parità consiste nel cambiare x con –x Una funzione simmetrica per parità si dice PARI

58 LA LAGRANGIANA E’ una funzione matematica già introdotta da Lagrange due secoli fa, ed è la differenza tra energia cinetica e potenziale

59 TEOREMA DI NOETHER La relazione tra simmetria e conservazione era già nota alla fisica classica PER OGNI SIMMETRIA DELLA LAGRANGIANA ESISTE UNA QUANTITA’ CONSERVATA

60 SIMMETRIE CLASSICHE Simmetria per una traslazione spaziale, ovvero per uno spostamento dell’origine degli assi Conservata: la quantità di moto

61 SIMMETRIE CLASSICHE Simmetria per una traslazione temporale, ovvero per uno spostamento dell’origine dei tempi Conservata: energia

62 SIMMETRIE CLASSICHE Simmetria per una rotazione, che si ottiene ruotando gli assi cartesiani Conservato: momento angolare

63 SIMMETRIE QUANTISTICHE La meccanica quantistica estende il concetto di simmetria e ne fa uno dei cardini della fisica delle particelle elementari

64 SIMMETRIE QUANTISTICHE INVERSIONE TEMPORALE Consiste nel cambiare il verso del tempo Implica l’esistenza delle ANTIPARTICELLE ANTIPARTICELLE

65 SIMMETRIE QUANTISTICHE PARITA’ E’ legata alla precedente poiché in relatività spazio e tempo sono sullo stesso piano

66 SIMMETRIE QUANTISTICHE CONIUGAZIONE DI CARICA Consiste nel cambiare il segno della carica a tutte le particelle

67 SIMMETRIE VIOLATE Le simmetrie possono essere VIOLATE Ad esempio per rompere la simmetria di un triangolo isoscele basta colorare diversamente le due metà

68 SIMMETRIE VIOLATE Tutte queste simmetrie valgono solo approssimativamente. Il nostro mondo è fatto solo di materia e non anche di antimateria proprio perché l’inversione temporale e la parità sono solo approssimativamente valide

69 TEOREMA CPT Se però eseguiamo tutte e tre le operazioni contemporaneamente, allora la simmetria è esatta.

70 SIMMETRIE QUANTISTICHE INVARIANZA DI GAUGE significa che L resta invariata se si aggiungono nuovi campi, detti CAMPI DI GAUGE Implica l’esistenza dei campi di forza che fanno interagire tra loro i fermioni

71 LA SUPERSIMMETRIA Per ora è solo un’ipotesi: consiste nello scambio dei fermioni coi bosoni. Se corretta, la supersimmetria implica per ogni fermione l’esistenza di una particella analoga ma di spin intero, per ogni bosone l’esistenza di una particella analoga ma di spin semintero

72 LE SUPERPARTICELLE I superpartner dei fermioni aggiungono prima del nome una “s” Elettrone Selettrone Muone Smuone Quark Squark ……………….

73 LE SUPERPARTICELLE I superpartner dei bosoni terminano in “ino” anziché “one” Fotone Fotino Gravitone Gravitino Gluone Gluino ……………….

74 SIMMETRIE VIOLATE La SUPERSIMMETRIA è violata. Questo fa sì che le particelle supersimmetriche abbiano una massa molto più grande delle loro superpartner “normali” e quindi non siano mai state osservate

75 LA MASSA Nella fisica classica la massa dei corpi, specie degli atomi, è un dato di fatto inspiegabile NELLA FISICA MODERNA NO

76 IL MECCANISMO DI HIGGS Nella fisica moderna le particelle elementari di per sé NON HANNO MASSA, ma la acquistano interagendo con un campo di forze quantistico detto CAMPO DI HIGGS

77 IL MECCANISMO DI HIGGS La massa delle particelle, quindi, non è altro che l’ENERGIA DI INTERAZIONE col campo di Higgs

78 IL BOSONE DI HIGGS La particella associata al campo di Higgs prende il nome di BOSONE DI HIGGS Questo bosone non è ancora stato osservato, perché ha una massa troppo grande per essere prodotto dagli attuali acceleratori

79 IL BOSONE DI HIGGS Ci si potrebbe chiedere cosa dà la massa al bosone di Higgs E’ l’interazione con lo stesso campo di Higgs a farlo. In meccanica quantistica i campi possono anche interagire con se stessi

80 LE PARTICELLE Negli anni ’50 e ’60 si scoprono numerosissime nuove particelle Il MODELLO STANDARD riduce questa varietà a tre famiglie di quattro particelle ciascuna, delle quali solo la prima esistente in natura

81 PRIMA FAMIGLIA E’ formata da: ParticellaMassaCaricaSpinELETTRONE0,511/2 NEUTRINO ELET. >001/2 QUARK DOWN 310-1/31/2 QUARK UP 310+2/31/2

82 QUALCHE PRECISAZIONE La massa è espressa in Mev, unità di energia pari a 1,6∙ Joule La massa è espressa in Mev, unità di energia pari a 1,6∙ Joule La carica è espressa in termini di carica dell’elettrone ovvero 1,6∙ Coulomb La carica è espressa in termini di carica dell’elettrone ovvero 1,6∙ Coulomb Del neutrino non è stata ancora misurata la massa con esattezza ma si sa che non è nulla Del neutrino non è stata ancora misurata la massa con esattezza ma si sa che non è nulla

83 SECONDA FAMIGLIA E’ formata da: ParticellaMassaCaricaSpinMUONE106,61/2 NEUTRINO MUO. >001/2 QUARK STRANGE 505-1/31/2 QUARK CHARM /31/2

84 TERZA FAMIGLIA E’ formata da: ParticellaMassaCaricaSpinTAUONE17841/2 NEUTRINO TAU. >001/2 QUARK BOTTOM /31/2 QUARK TOP /31/2

85 LA MATERIA Queste particelle sono TUTTI FERMIONI. L’elettrone e i quark up e down formano la materia ordinaria, mentre le altre particelle sono state create in laboratorio e non esistono in natura nelle attuali condizioni dell’universo

86 I QUARK In particolare i quark up e down formano PROTONI E NEUTRONI, le particelle componenti del nucleo 2 up + 1 down = PROTONE 2 up + 1 down = PROTONE 2 down + 1 up = NEUTRONE 2 down + 1 up = NEUTRONE

87 ALTRE FAMIGLIE? Esperimenti condotti al CERN di Ginevra mostrano che non ci sono altre famiglie di fermioni

88 LE FORZE Nel modello standard le forze sono mediate da CAMPI DI FORZA, a ognuno dei quali è associata una o più particelle, dette BOSONI INTERMEDI L’interazione tra particelle avviene mediante lo scambio di questi bosoni

89 LE FORZE La prima teoria che prevede ciò è l’elettrodinamica quantistica (Dirac, 1930) in cui elettroni e antielettroni agiscono tra di loro tramite fotoni. La forza mediata dai fotoni si chiama FORZA ELETTROMAGNETICA

90 DIAGRAMMI DI FEYNMANN I diagrammi di Feynmann sono un modo per rappresentare graficamente l’interazione tra particelle Questo ad esempio rappresenta l’urto tra due elettroni

91 REGOLE Le linee aperte rappresentano particelle reali Le linee aperte rappresentano particelle reali Le linee chiuse rappresentano particelle virtuali Le linee chiuse rappresentano particelle virtuali La parte sinistra del diagramma rappresenta lo stato iniziale La parte sinistra del diagramma rappresenta lo stato iniziale La parte destra il risultato dell’interazione La parte destra il risultato dell’interazione

92 REGOLE (per la QED) Ogni diagramma è formato da un numero pari (minimo due) di elementi base di questo tipo Ogni diagramma è formato da un numero pari (minimo due) di elementi base di questo tipo ….in cui…. ….in cui….

93 REGOLE (per la QED) …una linea tratteggiata rappresenta un fotone …una linea tratteggiata rappresenta un fotone Una linea continua un elettrone o un positrone. In particolare: Una linea continua un elettrone o un positrone. In particolare: Elettrone che va da sin. a des. o Positrone che va da des. a sin. Positrone che va da sin. a des. o Elettrone che va da des. a sin.

94 REGOLE Gli elementi base possono essere uniti solo accoppiando linee dello stesso tipo e con verso concorde Gli elementi base possono essere uniti solo accoppiando linee dello stesso tipo e con verso concorde SI’ NO

95 DIAGRAMMI DEL 2° ORDINE Urto elettrone-positrone Urto elettrone-elettrone Urto elettrone-fotone (effetto Compton) Annichilazione elettrone- positrone

96 DIAGRAMMI DEL 2° ORDINE Autointerazione dell’elettrone Autointerazione del fotone

97 Elettromagnetica Forte Debole Agisce tra atomi e molecole, fino a livello macroscopico Formazione dei nuclei, reazioni nucleari Decadimento del neutrone, reazioni nucleari LE FORZE FONDAMENTALI

98 Mediatori della forza elettromagnetica FOTONI Privi di massa e carica elettrica Sono stabili, quindi il raggio d’azione della forza è infinito BOSONI INTERMEDI

99 Mediatori della forza debole BOSONI W +, W -, Z° Hanno massa, e le W hanno anche carica elettrica. Sono instabili, quindi il raggio d’azione della forza è molto piccolo BOSONI INTERMEDI

100 ESEMPI d u W+W+ νeνe e-e- Un neutrino elettronico scambia una particella W+ con un quark down e lo trasforma in up, trasformandosi a sua volta in elettrone μ-μ- νμνμ νeνe e-e- Z° Un muone decade in elettrone emettendo una particella Z°, la quale decade in neutrino muonico e antineutrino elettronico

101 Mediatori della forza forte GLUONI Sono privi di massa e di carica elettrica. Sono instabili, quindi il raggio d’azione della forza è molto piccolo BOSONI INTERMEDI

102 ESEMPI d d G u u Interazione tra un quark up e un quark down

103 ParticellaMassa Carica Raggio Intensità della. (GeV) d’azione forza Gluone m1 Fotone 00infinito10 -2 W m W m Z° m TAVOLA RIASSUNTIVA

104 I neutrini risentono solo della forza debole Elettroni, muoni e tauoni risentono sia della debole che di quella elettromagnetica I quark risentono di tutte e tre le forze PARTICELLE E FORZE

105 La sorgente della forza elettromagnetica è la carica elettrica: solo le particelle dotate di carica possono interagire secondo le note regole: cariche opposte si attraggono cariche uguali si respingono LE CARICHE

106 La sorgente della forza forte è la carica di colore che può assumere tre valori rosso, verde e blu per i quark antirosso, antiverde e antiblu per gli antiquark. LE CARICHE

107 I quark non possono mai esistere isolatamente, ma solo in agglomerati di colore bianco. Ad esempio: Rosso + verde + blu = bianco (dà un protone) Rosso + antirosso = bianco (dà un mesone) LE CARICHE

108 Per effetto dell’interazione forte, tre quark di colore diverso si uniscono a formare un protone o un neutrone In effetti, neutroni e protoni sono un “agglomerato” di quark e gluoni u d u u d d Protone Neutrone FORZA FORTE

109 L’interazione forte tra i quark di diversi nucleoni li fa unire tra di loro, formando i nuclei degli elementi Questa forza può far fondere tra di loro due nuclei (fusione nucleare) Deuterio Elio FORZA FORTE

110 L’interazione elettromagnetica fa unire gli elettroni ai nuclei per formare gli atomi FORZA E.M.

111 La forza elettromagnetica tra elettroni di atomi diversi fa unire gli atomi a formare molecole, cristalli e in generale corpi macroscopici FORZA E.M.

112 La forza debole è responsabile di alcuni fenomeni come il decadimento del neutrone, che si trasforma in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico Neutrone Antineutrino Protone Elettrone FORZA DEBOLE

113 d u W+W+ νeνe e-e- In effetti il decadimento del neutrone avviene quando uno dei suoi quark down emette una particella W+ la quale decade in un elettrone e in un antineutrino elettronico

114 La quarta forza della natura è la gravitazione. La meccanica quantistica descrive la gravitazione per mezzo dello scambio di particolari bosoni detti gravitoni LA GRAVITA’

115 Caratteristiche dei gravitoni: massa nulla spin 2 sono stabili, quindi la gravità ha raggio d’azione infinito interagiscono con tutte le particelle, compresi se stessi. LA GRAVITA’

116 La gravitazione può essere inserita nel modello standard solo sotto due condizioni: che valga la supersimmetria che le particelle elementari siano viste come stringhe LA GRAVITA’

117 Nel modello standard classico le particelle sono viste come punti geometrici, ma questo pone gravi problemi di coerenza, specie in presenza di gravitazione LE STRINGHE

118 Nella teoria delle stringhe le particelle sono linee di lunghezza estremamente piccola, ma non nulla: hanno quindi una dimensione anziché nessuna come il punto LE STRINGHE Particella puntiforme Stringa

119 Nella teoria delle stringhe due particelle non possono mai arrivare a distanza nulla, cosa che fa perdere senso alla teoria della gravitazione LE STRINGHE Interazione…tra particelle puntiformi………tra stringhe

120 La teoria delle stringhe differisce da quella delle particelle puntiformi solo a scale molto piccole perché la dimensione delle stringhe è pari alla lunghezza di Planck m LE STRINGHE

121 Una simile scala è irraggiungibile per gli attuali esperimenti e quindi quella delle stringhe per ora è una teoria non dimostrata LE STRINGHE

122 Il modello standard supersimmetrico prevede che a energie molto elevate le quattro forze diventino una sola Questo fatto è detto GRANDE UNIFICAZIONE LA GRANDE UNIFICAZIONE

123

124 L’EFFETTO FOTOELETTRICO Estrazione di elettroni da un metallo per mezzo di un fascio di luce luce lamina metallica elettroni estratti

125 L’EFFETTO FOTOELETTRICO Eletroni in un metallo = pallina in una buca Per farla uscire bisogna darle un’energia almeno pari al dislivello di energia potenziale h

126 L’EFFETTO FOTOELETTRICO L’energia minima li chiama LAVORO DI ESTRAZIONE L° Dagli esperimenti si trova che l’estrazione avviene solo se la frequenza della luce è maggiore di una soglia critica f° f > f°

127 LA TEORIA DI EINSTEIN La luce è costituita da particelle o quanti, dette fotoni, di energia pari ad hf Un elettrone può assorbire solo un fotone alla volta, e quando lo fa ne acquisisce l’energia e il fotone sparisce

128 DA DOVE NASCE f° ? Un elettrone può uscire dal metallo solo se il quanto che assorbe ha energia superiore al lavoro di estrazione hf > L° f > L°/h La frequenza critica è quindi: f° = L°/h

129 L’EFFETTO COMPTON Quando un fascio di raggi X (onde simili alla luce, ma di frequenza superiore) colpisce un elettrone, l’onda diffusa ha una frequenza inferiore all’onda incidente Contraddizione con la meccanica delle onde

130 L’EFFETTO COMPTON Compton descrisse con successo questo fenomeno come urto tra due particelle, un elettrone e un fotone fotone X incidente fotone X diffuso elettrone di rinculo

131 L’URTO FOTONE- ELETTRONE Nell’urto il fotone cede una parte della sua energia all’elettrone Ma, per la relazione di Planck, minore energia significa minore frequenza E diffuso < E incidente f diffuso < f incidente

132 LA DIFFRAZIONE DEGLI ELETTRONI Davisson e Germer ottennero questa figura di diffrazione inviando contro un cristallo un fascio di elettroni

133 Il principio di relatività Se una legge fisica vale per un dato osservatore, allora vale anche nella stessa forma per un altro osservatore in moto rettilineo uniforme rispetto al primo

134 Costanza della velocità della luce La velocità della luce nel vuoto è la stessa per ogni osservatore E’ una conseguenza delle equazioni di Maxwell, se queste sono supposte valide per ogni osservatore inerziale

135 Spazio e tempo assoluti Newton, Principia, 1726 (3a ed.)

136 Spazio e tempo assoluti

137 In un universo omogeneo, la relazione tra densità di energia e curvatura K è semplice Ep è la densità di energia potenziale Ec è la densità di energia cinetica La curvatura dell’universo

138 Se prevale l’energia potenziale, la curvatura è positiva Vale la geometria ellittica Universo finito, come la sfera Curvatura positiva

139 Se prevale l’energia cinetica, la curvatura è negativa Vale la geometria iperbolica Universo infinito, come la sella Curvatura negativa

140 Se le due densità sono uguali, la curvatura è nulla Vale la geometria euclidea Universo infinito, come il piano Curvatura nulla

141 MOMENTO ANGOLARE Il momento angolare orbitale è il prodotto della massa della particella per la sua velocità per il raggio dell’orbita r

142 SPIN Lo spin è sempre un momento angolare, solo che è dovuto alla rotazione della particella su se stessa anziché intorno al nucleo R

143 ANTIPARTICELLE Nella fisica moderna si assume che per ogni particella ci sia un’ANTIPARTICELLA, con massa e spin identici ma con carica elettrica opposta. Ad esempio: Elettrone: carica negativa Elettrone: carica negativa Positrone: carica positiva Positrone: carica positiva

144 ANTIPARTICELLE Tutte le antiparticelle delle particelle note sono state osservate. La materia fatta di antiparticelle prende il nome di ANTIMATERIA


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