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1 Il Tempo del Cosmo e delle Particelle Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)

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Presentazione sul tema: "1 Il Tempo del Cosmo e delle Particelle Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy)"— Transcript della presentazione:

1 1 Il Tempo del Cosmo e delle Particelle Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – Milano (Italy) Planetario di Milano MUSICA Francesco Tapella Costituenti della Materia Tempo nel mondo «classico» Tempo in Relatività Speciale Tempo in Relatività Generale La Freccia del Tempo Tempo Cosmico Tempo nel mondo delle Particelle 11-Apr-2013 Salvador Dalì. La persistenza della memoria. Musem of Moder Art, New York City Francesco Tapella Ulisse

2 11-Apr Cosa abbiamo imparato (a scuola) ? Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei 1. I Costituenti della Materia Ossigeno Idrogeno Molecole: costituenti della materia Ipotizzate per comprendere la Chimica Leggi di Dalton e di Avogadro ( ) Dimostrazione sperimentale finale: Perrin (1911) (studio dei moti e delle proprietà molecolari) Planetario di Milano Abissi

3 11-Apr A loro volta le Molecole sono composte da Atomi Atomo = Nucleo, Elettroni Diversi tipi di atomi: La Tavola Periodica Nucleo = Protoni, Neutroni LElettrone: una particella davvero elementare Planetario di Milano

4 11-Apr Parmenides (circa 500 AC), Zenon (circa 490 – 430 AC): lesperienza della molteplicità è negabile. La materia è divisibile e suddivisa allinfinito. La divisione infinita della estensione fornisce come risultato zero, il niente, e quindi la molteplicità in cui consiste lestensione corporea non esiste, è opinione illusoria. Demokritos (circa 460 – 370 AC): lesperienza della molteplicità è innegabile La materia è suddivisa ma non allinfinito. A-tomos, indivisibile. Venne introdotto per fermare il processo di riduzione al nulla dellestensione spaziale (Parmenide, Zenone). Latomo è il punto in cui tale processo si ferma. Il senso in cui tutto ciò era inteso è diverso dal senso moderno di scienza. Planetario di Milano Sul significato dellAtomismo

5 11-Apr quark PROTONE A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da: I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari Le particelle elementari sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna. Sono i mattoni costruttivi dellUniverso Planetario di Milano Terra

6 11-Apr Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Hanno spin e carica ben definiti Sono elementari al meglio di m Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Costituiscono le particelle instabili MassaMassa Materia ordinaria Decadono in particelle stabili Planetario di Milano

7 11-Apr Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa Planetario di Milano

8 11-Apr Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: CMS al CERN di Ginevra CDF al Fermilab (Chicago) Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati ATLAS al CERN di Ginevra Planetario di Milano

9 9 11-Apr Il Tempo nella fisica classica Il concetto di tempo assoluto, di tempo come durata assolutamente indipendente da tutto il resto, è dovuto a Sir Isaac Newton. Dai Philosophiae Naturalis Principia Mathematica: Absolute, true and mathematical time, of itself, and from its own nature flows equably without regard to anything external Il mondo della Fisica Classica : + Spazio : il teatro di tutti gli eventi Tempo: lorologio del teatro. Un unico orologio per tutti. Un tempo cosmico Eclipsis

10 10Planetario di Milano11-Apr-2013 Il mondo della Fisica Classica : Spazio : il teatro di tutti gli eventi Tempo: lorologio del teatro. Un unico orologio per tutti. Un tempo cosmico x,y,z t Ma tutto questo vale sempre e comunque? Supponiamo di cambiare sistema di riferimento. E andiamo in un sistema in movimento, con velocità v, rispetto al nostro teatro : E in questo caso si dimostra che : Il tempo è un concetto assoluto in Fisica Classica (e anche la lunghezza)!

11 11Planetario di Milano11-Apr Il Tempo in Relatività Speciale Il concetto di tempo diviene relativo quando si comprende (Albert Einstein, 1905) che non è il tempo ad essere assoluto. Bensi la velocità della luce nel vuoto. Nelle trasformazioni corrette tra due sistemi di riferimento (in moto uniforme uno rispetto allaltro), tempo e spazio si trasformano per «mantenere» costante la velocità della luce Spazio e tempo si fondono in un unico concetto, lo spaziotempo. Si trasformano in modo congiunto. Intervalli di tempo e di spazio non sono più assoluti.

12 12Planetario di Milano11-Apr Il Tempo in Relatività Generale La Relatività Generale è una teoria della Gravitazione che rispetta il principio di equivalenza (Albert Einstein, 1905). Campo G (in un campo g) Campo E (in un campo elettrico) Ma se la gravitazione non dipende da nessuna caratteristica del corpo allora essa e una proprieta dello spaziotempo. Il moto dipende da come è fatta la particella Il moto NON dipende da come è fatta la particella Immaginiamo una particella m,q che si muova in un campo elettrico o uno gravitazionale Teoria geometrica della gravità. Curvatura dello spaziotempo

13 Il caso limite dellorologio lanciato verso il buco nero: 13Planetario di Milano11-Apr-2013 Le rappresentazioni della gravità come curvatura dello spazio La massa (lenergia-momento) curva lo spaziotempo. Quindi lo scorrere del tempo dipende dalle masse nei pressi dei nostri orologi Lo scorrere del tempo dipende dalla presenza o meno di campi gravitazionali. Il tempo non è unico. Gravità diverse Tempi diversi

14 14Planetario di Milano11-Apr-2013 Relatività Speciale e Generale Il suo fluire dipende da : 1.La condizione di moto dellorologio 2.La struttura dello spaziotempo Fisica Classica Il tempo è un parametro che caratterizza levoluzione di un sistema Il suo fluire è assoluto Orfeo

15 15Planetario di Milano11-Apr-2013 Freccia nel tempo: asimmetria tra presente e passato A. Eddington (1928) Ma cosa è una Simmetria nel tempo? Uno scambio tra passato e futuro! Condizioni A Condizioni B Legge Dinamica - Condizioni B Legge Dinamica - Condizioni A Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo 5. La Freccia del Tempo

16 16Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

17 17Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

18 18Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

19 19Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

20 20Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

21 21Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

22 22Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

23 23Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

24 24Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

25 25Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

26 26Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

27 27Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

28 28Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

29 29Planetario di Milano11-Apr-2013 Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre

30 30Planetario di Milano11-Apr-2013 Ma come possiamo costruire una «freccia del tempo» allora ? Non si riesce a costruire una freccia del tempo con sistemi meccanici. Questo perché lEquazione Dinamica è invariante: In generale si ritiene che i processi fisici a livello MICROSCOPICO siano simmetrici rispetto al tempo. Se la direzione del tempo venisse invertita la descrizione teorica sarebbe la stessa. Daltra parte nel mondo MACROSCOPICO esiste certamente una direzione preferenziale del tempo. Dal passato al futuro.

31 31Planetario di Milano11-Apr-2013 Una Freccia del Tempo può venire costruita in un sistema complesso usando il Secondo Principio della Termodinamica. LEntropia può solo aumentare Inchiostro dissolto in acqua, nella metà di sinistra del recipiente. Si ha una sequenza temporale «ovvia» che corrisponde allaumento di entropia. Lunica sequenza possibile è A,B,C,D anche se – dal punto di vista microscopico – anche la sequenza inversa è in linea di principio possibile. AB CD Non esiste conflitto tra le leggi MICROSCOPICHE T-reversibili e la legge MACROSCOPICA T-irreversibile. Il punto chiave è che lo stato D corrisponde a un numero molto maggiore di stati MICROSCOPICI rispetto ad A

32 32Planetario di Milano11-Apr Il Tempo del Cosmo Il quadro teorico dellevoluzione dellUniverso su grande scala è basato su: -La Teoria delle Relatività Generale come Teoria della Gravitazione -Il Modello del Big Bang caldo Secondo tale visione lUniverso (omogeneo e isotropo alla scala > 100 Mpc) si è evoluto da uno stato nel passato di alta densità ed energia Le prove del Modello : Il red-shift di espansione La nucleosintesi primordiale La radiazione di fondo (Linflazione) Kronos

33 33Planetario di Milano11-Apr-2013 Il Tempo Cosmico è il tempo di evoluzione del parametro di scala dellUniverso. Misurato da un qualsiasi osservatore (solidale con la radiazione cosmica di fondo) Il tempo ZERO è la nascita dellUniverso, 13.8 miliardi di anni fa. Uno stato di energia elevatissima e singolare Lo stato iniziale del Big Bang, Una condizione iniziale molto particolare. La storia dellUniverso è determinata dalle leggi fisiche e da questa condizione iniziale

34 34Planetario di Milano Una storia termica delluniverso Particelle/Antiparticelle libere Pulsar 11-Apr-2013

35 35Planetario di Milano11-Apr-2013 Osservazione importante: il tempo termodinamico probabilmente deriva dal tempo cosmico (intuizione di Boltzmann) : Se luniverso fosse iniziato da una condizione di equilibrio allora (probabilmente) non avremmo un concetto di entropia fatto così. Analogia Se il tutto è partito da uno stato relativamente ordinato, molto particolare (i primi istanti del Big Bang) allora è naturale (emergente) una tendenza alla massima entropia è naturalme (emergente) un concetto di tempo cosmico macroscopico

36 36Planetario di Milano11-Apr-2013 Se luniverso fosse iniziato da una condizione di equilibrio allora (probabilmente) non avremmo un concetto di entropia fatto così. Non avremmo tempo macroscopico. Supponiamo allora di essere un Demiurgo Cosmico Creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (Musei Vaticani - La Cappella Sistina) Due specie di gas perfetti (blu e rosso) Non interagenti se non per via di urti perfettamente elastici Freccia del tempo indefinibile

37 37Planetario di Milano11-Apr Tempo nel mondo delle Particelle Tralasciando un pezzo del problema (cioè la definizione del tempo in Meccanica Quantistica, relativamente allidea di misura)……………... Dobbiamo prima ricordare che le interazioni fondamentali sono quattro : Interazioni Gravitazionali: note da tempo immemorabile. Teoria classica (Einstein) nel Responsabile della stabilità della materia macroscopica. Interazioni Elettromagnetiche: Teoria classica (Faraday, Maxwell) completata nel Responsabile della interazione tra particelle cariche (e come conseguenza sulla stabilità delle strutture atomiche). Importante anche sulla scala nucleare Interazioni Nucleari Forti: responsabili delle forze che intervengono nel nucleo (e della stabilità nucleare). A corto raggio di azione: m (1 fermi, fm) Interazioni Nucleari Deboli: responsabili di alcuni importanti processi nucleari (certi tipi di fusione, radioattività). A corto raggio di azione (subnucleari).

38 Forze fondamentali in Natura Gravità Elettromagnetismo Forza Nucleare Forte Forza Nucleare Debole Idea: spiegare tutti i fenomeni fondamentali (quindi, tra i costituenti) per mezzo di queste interazioni 38 Terra 11-Apr-2013Planetario di Milano

39 39 Il tempo è una simmetria quantistica ben definita: T Come può essere studiate linvarianza temporale ? Invertendo stati iniziali e finali. E verificando se : Linvarianza per T a livello microscopico riguarda le ampiezze di transizione. (bilancio dettagliato) Una prova classica, lo studio della reazione Ampiezza di Transizione uguale nei due sensi della reazione Le Interazioni Nucleari forti sono T-simmetriche Le Interazioni Elettromagnetiche sono T-simmetriche Le Interazioni Gravitazionali sono T-simmetriche 11-Apr-2013Planetario di Milano

40 40Planetario di Milano11-Apr Violazione dellinvarianza per T ? E le Interazioni Nucleari Deboli ?? Come studiare lasimmetria nel tempo delle Interazioni Nucleari Deboli ? La difficoltà sta nella bassa probabilità di Interazione Debole Per cui non è possibile scambiare stati finali del tipo : Esperimento BaBar a SLAC (Stanford, California) Interazione Nucleare Debole Occorre trovare due stati connessi dalla sola Interazione Debole, studiarne levoluzione temporale nei due sensi (ed essere sicuri sia solo T a connetterli)

41 41Planetario di Milano11-Apr-2013

42 42Planetario di Milano11-Apr-2013 La misura è stata effettuata osservando la diversità dei tassi di reazione della oscillazione tra due stati, del tipo : Produzione di particelle in urti e + e - Studio della evoluzione temporale delle particelle prodotte

43 43Planetario di Milano11-Apr-2013 Considerando tutti gli stati osservati in questa misura, si sono studiate quattro reazioni e le loro reazioni inverse : Nessuna asimmetria T - asimmetria Violazione di invarianza temporale nel mondo delle Particelle Solaris Misura di trasformazioni tra stati di particelle con risoluzione temporale inferiore al picosecondo. WoW!

44 11-Apr Grazie della vostra attenzione Il tempo è il parametro che caratterizza levoluzione dei sistemi fisici. Il suo scorrere dipende dagli stati di moto e/o dalla presenza dellenergia. Nel MACROSCOPICO lasimmetria forse dovuta alle condizioni speciali di inizio dellUniverso. Ora sappiamo che è asimmetrico nellinfinitamente piccolo. Al livello delle particelle. One Song Man Planetario di Milano

45 45Planetario di Milano11-Apr-2013


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