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1. 2 3 4 Galileo Galilei – padre della scienza moderna -Metodo scientifico nello studio delle leggi della Natura: esperimenti, elaborazione dati, costruzione.

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4 4 Galileo Galilei – padre della scienza moderna -Metodo scientifico nello studio delle leggi della Natura: esperimenti, elaborazione dati, costruzione teorica - applicazione della matematica nello studio dei processi fisici

5 5 Il metodo scientifico Osservazione Ipotesi Previsione Eleganza: Descrivere un numero sempre maggiore di fenomeni, usando un numero sempre minore di leggi (o di idee?)

6 6 Galileo Galilei – oltre il senso comune -Dinamica dei corpi – meccanica – leggi del moto; principio della dinamica -Caduta dei gravi (corpi cadono con la stessa legge indipendentamente del peso) -Lastronomia (2009 – anno internazionale dellastronomia; 400 anni Galileo – cannochiale) -Ottica, idraulica, acustica, magnetismo, termologia

7 7 Galileo Galilei – e la letteratura -Letteratura : Calvino defini Galileo «il più grande scrittore italiano di ogni secolo»; Leopardi «forse il più gran fisico e matematico del mondo» «magnanimità di pensare e di scrivere», «precisa efficacia e scolpitezza evidente» in ambito linguistico, «il primo riformatore della filosofia e dello spirito umano» ; Primo Levi: «Galileo era un grandissimo scrittore proprio perché non era scrittore affatto. Era uno che voleva esporre quello che aveva visto»

8 8 Quest'opera difende insieme i diritti della scienza e della cultura, esige libertà per lo scienziato e per l'uomo di cultura e affronta, oltre a questioni scientifiche, anche problemi di ordine cosmologico e filosofico, portando ovunque il senso nuovo della scienza moderna, il nuovo concetto dell'uomo e la forma nuova nella quale deve delinearsi il rapporto tra l'uomo e la natura." Ludovico Geymonat

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10 10 F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002

11 11 Due rivoluzioni scientifiche stanno alla base della FISICA MODERNA – entrambe occorse nella prima meta del 20esimo secolo. Tutto cio e accaduto quando i fisici hanno provato (e riuscito) di estendere le leggi delle fisica OLTRE lesperienza di ogni giorno, oltre il senso comune Hanno partorito: La teoria della Relativita La Meccanica Quantistica

12 12 La relatività è collegata alla misurazione di eventi: dove e quando essi accadono e quanto distano tra loro nello spazio e nel tempo. I suoi principi vengono applicati nelle trasformazioni di misure quando si passa da un sistema di riferimento ad un altro in moto relativo tra loro (da qui il nome di relatività)

13 13 Relatività Speciale Einstein, Lorentz, Poincaré ( )

14 14NEWTON I. Il tempo assoluto, vero, matematico, in sé e per sua natura senza relazione ad alcunché di esterno, scorre uniformemente, e con altro nome è chiamato durata; quello relativo, apparente e volgare, è una misura (accurata oppure approssimativa) sensibile ed esterna della durata per mezzo del moto, che comunemente viene impiegata al posto del vero tempo: tali sono lora, il giorno, il mese, lanno. II. Lo spazio assoluto, per sua natura senza relazione ad alcunché di esterno, rimane sempre uguale ed immobile; lo spazio relativo è una dimensione mobile o misura dello spazio assoluto, che i nostri sensi definiscono in relazione alla sua posizione rispetto ai corpi, ed è comunemente preso come lo spazio immobile; cosí la dimensione di uno spazio sotterraneo o aereo o celeste viene determinata dalla sua posizione rispetto alla terra. Lo spazio assoluto e lo spazio relativo sono identici per grandezza e specie, ma non sempre permangono identici quanto al numero. Infatti se la Terra, per esempio, si muove, lo spazio della nostra aria, che relativamente alla Terra rimane sempre identico, sarà ora una parte dello spazio assoluto attraverso cui laria passa, ora unaltra parte di esso; e cosí muterà assolutamente in perpetuo.

15 15 GALILEO enunciò lequivalenza tra due sistemi di riferimento inerziali in moto uniforme luno rispetto allaltro

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17 17 Oggi sappiamo che le trasformazioni di Galileo valgono però solo per valori piccoli della velocità Grandezze che caratterizzano la nostra vita quotidiana (senso comune) Se il valore della velocità si avvicina a quella della luce avvengono degli effetti strani

18 18 Einstein (1905)

19 19 Postulati della Relatività Speciale P1 - leggi della natura sono le stesse in tutti i R.I. preservato dalle eq. di Maxwell se e solo se P2 - velocità della luce è la stessa in tutti i R.I. che spiega il risultato nullo dellesperimento M & M eq. di Maxwell in tutti i R.I. Etere non esiste Einstein (1905)

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21 21 Contrazione delle lunghezze e la dilatazione dei tempi Un osservatore in quiete in un sistema inerziale vede accorciato un oggetto che si trova in quiete rispetto a un altro sistema inerziale in moto rispetto al proprio sistema Un osservatore in quiete in un sistema inerziale vede dilatarsi lintervallo di tempo durante il quale si verifica un fenomeno in un altro sistema inerziale in moto rispetto al proprio sistema

22 22 Contrazione delle lunghezze 10% velocita della luce

23 23 Contrazione delle lunghezze 86% velocita della luce

24 24 Contrazione delle lunghezze 99% velocita della luce

25 25 Contrazione delle lunghezze 99.99% velocita della luce

26 26 Descrive il comportamento di oggetti molto piccoli Principio di indeterminazione di Heisenberg: -Tanto piu precisamente conosciamo la posizione di un oggetto, tanto meno precisamente conosciamo il suo impulso Per la descrizione di oggetti come latomo, e/o ancora piu piccoli (particelle), ce bisogno della meccanica quantistica. Heisenberg nel 1925, alleta di 24 anni

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28 28 Interferenza da due sorgenti

29 29 Interferenza a singola particella parete a 2 fenditure Sorgente A B schermo

30 30 Interferenza a singola particella parete Sorgente Probabilità di rivelare una particella P A (x) A B otturatore

31 31 Interferenza a singola particella parete Sorgente Probabilità di rivelare una particella P B (x) A B otturatore

32 32 Comportamento classico parete Sorgente A B Probabilità di rivelare una particella P(x) = P A (x) + P B (x)

33 33 Interferenza quantistica A B Probabilità totale di rivelare una particella P(x) Frange di interferenza Da quale fenditura passa la particella ? Da entrambe ! Sorgente

34 34 TELETRASPORTO: REALTA O FANTASCIENZA?

35 35 Cosè il teletrasporto? Definizione naïve: scomparsa di un oggetto da una posizione e simultanea ricomparsa del medesimo oggetto in altra posizione dello spazio (trasferimento senza moto intermedio)

36 36 Luna: BOB Marte: ALICE 2 fotoni nello stato B A

37 37 Chi non resta sbalordito dalla meccanica quantistica evidentemente non la capisce Niels Bohr, 1927

38 38 Latomo allinizio del 900Latomo di Thompson Latomo di Rutherford e Bohr Latomo quantistico La struttura del nucleo Il nucleo oggi

39 39 Le forze fondamentali interazioni per spiegare tutto lUniverso !!

40 40 Bosone di Higgs Mediatori di Forze Z bosone W fotone g gluone Famiglie di materia Famiglie di materia tau -neutrino b bottom t top III muone -neutrino s strange c charm II e elettrone e e-neutrino d down up uI Leptoni Quarks ? Gravità il fantasma dellopera FermioniBosoni Il Modello Standard

41 41 40 Km Atmosfera Studio Diretto Rivelatori Sotterranei StudioIndiretto EAS >10 6 Km 300 Km muoni Particlelle Secondarie Cosmici Primari Neutrini Rivelatori Sottomarini ASTROPARTICELLE

42 42 I collisori materia-antimateria ADA a Frascati 1959 ADONE a Frascati nel 1969 DA NE LEP al CERN di Ginevra 1988 LHC al Cern di Ginevra nel 2009

43 43 abell2218 blu

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45 45 La Storia dellUniverso astrofisica biologia fisica nucleare fisica sub-nucleare cosmologia chimica

46 46 Universo in espansione, dal piccolo al grande, dal caldo al freddo

47 47 …e quindi… Semplici leggi fisiche predicono che le regioni piú o meno dense emettono radiazione piú o meno calda… Ma allora, limmagine della radiazione di fondo è una fotografia delle strutture create dal Big Bang! Proprio limmagine della Terra ci fa vedere le sue strutture! Subito dopo la scoperta, parte la ricerca delle disomogeneitá nella radiazione di fondo…

48 48 COsmic Background Explorer (COBE) Premio nobel per la fisica 2006 a John Mather e George Smoot

49 49 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, in operazione ora)

50 50 Nuove conoscenze: Big Bang ed Inflazione cosmica

51 51 Nuove conoscenze: la composizione del cosmo

52 52 Nuove conoscenze: lespansione accelera! Le osservazioni indicano che lUniverso sta accelerando la sua espansione Laccelerazione sarebbe iniziata alcuni miliardi di anni fa Questo processo puó essere ricondotto ad una forma di energia nello spazio vuoto, ipotizzata e poi ritrattata da Einstein ed altri fisici nellultimo secolo

53 53 Enigmi in cosmologia Non sappiamo… quali processi hanno preceduto lInflazione, e se essi sono descritti da una trattazione unificata della gravità e le altre tre forze conosciute che cosa ha generato linflazione cosmica che cosa è la materia oscura cosa sta facendo accelerare lespansione cosmica

54 54 Osservare per sapere Nei prossimi anni, alcuni enigmi potrebbero essere svelati dai prossimi esperimenti, grazie al progresso tecnologico negli ultimi decenni Osservazioni della radiazione di fondo ad altissima risoluzione, il tentativo di vedervi limpronta di oscillazioni spaziotemporali impresse al Big Bang Miliardi di galassie in mappe 3D delluniverso Esplosioni di supernove e raggi gamma per ricostruire la storia dellespansione cosmica ``Cugini della materia oscura nel Large Hadron Collider …

55 55 F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002 Lunificazione di tutte le forze? Lunificazione delle forze

56 56 Le particelle sono veramente puntiformi ? Teoria delle Stringhe ulteriore livello microscopico: particelle non sono puntiformi, ma piccoli ( cm) anelli oscillanti diversi stati di oscillazione della stringa particelle diverse Questioni Aperte

57 57 Cos'è la massa? Sappiamo come misurarla, ma da cosa è determinata? Qual è l'origine della massa? In particolare, esiste il bosono di Higgs?? Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del plasma di quark e gluonisi verificherà l'origine non- perturbativa di una larga frazione della massa dell'universo? Perché le particelle elementari presentano masse diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il campo di Higgs? Fisica LHC (1)

58 58 Sappiamo ora che il 95% della massa delluniverso non è costituita da materia simile a quella che conosciamo da tempo. Di che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e l'energia oscura? Esistono le particelle supersimmetriche (SUSY)? Esistono le extradimensioni previste da vari modelli emersi dalla teoria delle stringhe? E possiamo "vederle" in qualche modo? – si BUCHI NERI – per noi UN FATTO POSITIVO1 MAGARI Quali sono le caratteristiche della violazione CP che possono spiegare la dissimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi assenza di antimateria nell'universo? Cosa si può conoscere con maggiori dettagli di oggetti già noti (come il quark top)? Verificare sperimentalmente la teoria delle stringhe? Fisica LHC (2)

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60 60 Large Hadron Collider

61 61 Large Hadron Collider Nello stesso tunnel di LEP: 4 esperimenti: - ATLAS, CMS general pourpuse - ALICE ioni pesanti - LHCb fisica del b

62 62 Large Hadron Collider

63 63 Large Hadron Collider - ATLAS

64 64 Large Hadron Collider

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66 66 Large Hadron Collider - ALICE

67 67 Large Hadron Collider - LHCb

68 68 Large Hadron Collider - CMS

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70 70 LHC e ATLAS: selezione eventi interessanti 800 milioni di collisioni al secondo. Solo una decina con lampi interessanti. E come cercare un ago in un pagliaio.

71 71 Einstein Lesperienza piu bella che possiamo avere e il mistero. E lemozione fondamentale alla base della vera arte e della vera scienza. Chi non sa cose e non sa piu sognare o meravigliarsi, e come morto, e il suo sguardo e spento.

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