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Richard P. Feynman Storia di un fisico Maestro di Scienza e di vita.

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Presentazione sul tema: "Richard P. Feynman Storia di un fisico Maestro di Scienza e di vita."— Transcript della presentazione:

1 Richard P. Feynman Storia di un fisico Maestro di Scienza e di vita

2 Perché vostro figlio può essere un genio … Sistema di allarme in camera che scatta quando si apre la porta Riparatore di radio a 12 anni Una stazione radiotrasmittente Esperimenti e giochi di Fisica e Chimica Il genio e la scuola …

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4 Gli anni dellUniversità Il MIT e il lavoro estivo La Metalplast Corporation e la placcatura di materiali plastici Il trasferimento a Princeton e il Ciclotrone

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6 Los Alamos 1 Lavorare per lesercito: tecnico di calcolatori meccanici per balistica Ladesione al progetto Manhattan: la ricerca sui sistemi di arricchimento dellUranio La laurea e la partenza per Los Alamos

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8 Los Alamos 2 Poca ricerca, molta ingegneria: il lavoro con Von Neumann sui sistemi di calcolo Prestigiose collaborazioni: H. Bethe, J. Von Neumann, E. Fermi, N. Bohr

9 Los Alamos 3 La bomba e la sua pesante eredità Vicende personali sfortunate … … non alterano la passione per gli scherzi (Feynman scassinatore di casseforti) Il tempo libero: la passione del tamburo

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11 Dopo la Bomba Si torna alla ricerca teorica: la QED (la nuova teoria dellelettromagnetismo) Lincarico a Ithaca (Cornell University) Dalla crisi di motivazioni alla riscoperta della Fisica come Cimento

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13 Il Caltech e il Nobel Feynman si trasferisce a Los Angeles (Caltech) 1965: Riceve il premio Nobel per la Fisica Gli studi sulle interazioni elementari (la violazione della parità nel decadimento beta)

14 Il Caltech e il Nobel La curiosità per tutti i campi del sapere: dalla decifrazione di codici Maya, allarte, alla biologia, allo studio dei sogni e delle visioni

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16 La didattica e il metodo della Scienza Feynman viene invitato a partecipare ai lavori della commissione ministeriale di controllo sui libri scolastici: la critica ai metodi didattici correnti La Scienza da culto del Cargo: lonestà e lintegrità nella ricerca della Verità

17 Lelettrodinamica quantistica (QED): la nuova teoria delle interazioni tra luce e materia

18 Dalla rivoluzione dei quanti al problema delle interazioni fondamentali 1900: la radiazione di corpo nero e lipotesi dei quanti 1905: leffetto fotoelettrico e i quanti di luce: la luce è fatta di onde e di corpuscoli 1911: la scoperta del nucleo atomico (Ernest Rutherford) 1913: la teoria atomica di Bohr e lazione quantizzata; latomo a livelli discreti Lurto tra fotone ed elettrone (esperienza di Compton 1923)

19 1924: L. V. De Broglie e le onde - particelle

20 1926: esperienza di Davisson e Germer: diffrazione di un fascio di elettroni Meccanica matriciale (W. Heisenberg) e meccanica ondulatoria (E. Schroedinger) Uhlenbeck e Goudsmit: lo spin dellelettrone 1927: il principio di indeterminazione (W: Heisenberg) Pauli inquadro lo spin nel formalismo della meccanica quantistica (M. Born) Linterpretazione statistica della funzione donda Dirac e lequazione quanto - relativistica dellelettrone (la previsione dellesistenza dellantimateria)

21 La diffrazione come esempio di indeterminazione

22 Un fascio laser (onde coerenti) incidente una fenditura stretta (dimensioni confrontabili con la si allarga

23 Se la fenditura si stringe (si definisce meglio la posizione dei fotoni), il fascio si allarga (la direzione del moto nel senso della larghezza è più incerta)

24 Relazioni di indeterminazione

25 La somma di 2 onde: linterferenza sullo schermo si alternano punti in cui le onde si sommano in fase (interferenza costruttiva), e punti in cui le onde si sommano in opposizione di fase (interferenza distruttiva).

26 Somma di due fasci di corpuscoli: in ogni punto dello schermo si sommano i corpuscoli che arrivano dalle due fenditure.

27 Linterferenza di onde materiali scompare quando si cerca di sapere attraverso quale fenditura passa lelettrone. Le caratteristiche ondulatorie sono legate alla quantità di moto e alla velocità Le caratteristiche corpuscolari sono legate alla posizione (posso determinare la posizione di un corpuscolo e non di unonda) Il comportamento ondulatorio (che si rivela quando si misura la q. di moto) esclude quello corpuscolare (che si rivela quando si misura la posizione) e viceversa.

28 Gli studi sulle interazioni fondamentali Manca una teoria dellinterazione elettromagnetica: gli studi quantistici sullelettrone non avevano risolto il problema delle interazioni Esistono due equazioni che definiscono il comportamento dellelettrone (Dirac) e del fotone, quanto del campo elettromagnetico (Klein - Gordon).

29 Una teoria per linterazione elettromegnetica (e non solo): la Q.E.D. (quantum electrodynamics) di R. Feynman Carattere probabilistico: un elettrone e un fotone possono avere comportamenti diversi, ciascuno dei quali ha una data probabilità di verificarsi La probabilità è descritta da una funzione donda ψ (lampiezza di probabilità, mentre la densità di probabilità è descritta da ) Regole 1) lampiezza di una sequenza di eventi consecutivi o contemporanei è il prodotto delle ampiezze dei singoli eventi

30 2) Se un dato evento può verificarsi secondo più modalità alternative, la sua ampiezza è la somma delle ampiezze dei singoli eventi 3) la somma delle ampiezze di probabilità è una somma vettoriale. (per vettori che hanno la stessa direzione e lo stesso verso, il modulo della somma è la somma dei moduli; per vettori che hanno direzione opposta il modulo della somma è la differenza dei moduli)

31 Le trasformazioni del vettore - ampiezza: Contrazione: lampiezza di probabilità di una particella in seguito ad uninterazione viene moltiplicata per un fattore di contrazione Rotazione: il modo in cui una particella si propaga si può rappresentare con una freccia (la direzione della freccia corrisponde alla fase dellonda). Linterazione con una particella fa ruotare la freccia (cambia la fase dellonda).

32 Linterazione elettromagnetica come interazione fotone - elettrone: Il ruolo dellindeterminazione energia - tempo e della equivalenza relativistica massa - energia Il campo elettromagnetico è prodotto dallemissione di quanto o fotoni virtuali. Linterazione elettromagnetica è interpretata come scambio di fotoni virtuali.

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34 La rappresentazione grafica dei fenomeni elementari nello spazio - tempo relativistico: i diagrammi di Feynman. propagazione di un fotone da A a B

35 In questo modo, tenendo conto del fatto che la luce segue percorsi compiuti nel tempo minimo (principio di Fermat) si spiegano tutti i comportamenti più comuni della luce, come ad esempio la riflessione (langolo di incidenza è uguale a quello della riflessione è la situazione più probabile perché le frecce corrispondenti ai percorsi più lontani sono più aperte e sommandosi danno somme vicine a 0) …

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37 … e la rifrazione (anche qui le frecce più lontane dal percorso corrispondente al minimo tempo di percorrenza sono vicine a 0).

38 A B x t Propagazione di un elettrone da A a B, nel più semplice dei modi possibili.

39 Modi alternativi in cui lelettrone si può propagare da A a B.

40 Lampiezza complessiva che descrive il percorso da A a B, è la somma (integrale) delle ampiezze dei percorsi alternativi. Lampiezza di ogni singolo percorso è il prodotto delle ampiezze delle sue tappe intermedie per un fattore per ognuno dei traguardi parziali. Tale fattore rappresenta la massa dellelettrone:un elettrone può propagarsi da A a B nello spazio tempo lungo tutti i percorsi tali che perché non può superare la velocità della luce.

41 Viceversa il fotone (non essendo dotato di massa) può soltanto muoversi da A a B nel percorso indicato nel primo diagramma (tutti gli altri termini dellampiezza che rappresentano i percorsi alternativi sono nulli essendo dipendenti dalla massa). I maggiori contributi allampiezza della propagazione del fotone sono quelli per cui si ha circa

42 La descrizione di 3 fenomeni elementari alla base dellelettrodinamica quantistica La propagazione del fotone La propagazione dellelettrone Lassorbimento o lemissione di un fotone da parte dellelettrone

43 Interazione tra un fotone ed un elettrone Elettrone in un campo magnetico

44 Per questo processo (assorbimento o emissione di un fotone da parte di un elettrone) ci sono vari modi di interazione: lampiezza del processo è la somma delle ampiezze corrispondenti ai modi alternativi. Esempi:

45 Ad ogni processo alternativo corrisponde unampiezza di probabilità che è data dal prodotto delle ampiezze che descrivono le propagazioni dei fotoni e dellelettrone nelle diverse tappe del suo viaggio, moltiplicato per una costante caratteristica dellinterazione per ogni emissione o assorbimento. Tale costante è adimensionale ed è nota come la costante di struttura fine; essa è data dalla relazione

46 Su queste basi vengono spiegati tutti i processi elettromagnetici: Interazione tra due elettroni (due esempi di modi possibili):

47 La diffusione della luce da parte di un elettrone … … e lesistenza dellantimateria (elettroni che vanno indietro nel tempo!!!).

48 Linterazione tra nucleo ed elettroni che determina la struttura degli atomi:

49 Lassorbimento e lemissione di luce da parte degli atomi …

50 … ma anche le altre interazioni: linterazione forte tra i quark (che si scambiano gluoni) …

51 … e linterazione debole (il decadimento beta del neutrone) …

52 … e le correnti deboli … dei bosoni – vettori W e Z

53 La prima prova sperimentale: il calcolo esatto del momento magnetico dellelettrone: ± 1.0 x · Il modello standard: tutte le teorie seguenti sulle interazioni fondamentali sono state costruite sul modello della QED: interazioni che avvengono con scambio di particelle mediatrici (Bosoni W e Z per linterazione debole, Gluoni per le interazioni forti nel modello a quark)

54 Con la QED si passa da una descrizione del mondo fisico elementare basato su tre entità (particelle, fotoni di luce e campi di forze) al modello delle interazioni di scambio, che verrà esteso anche alle altre forze fondamentali. Cos anche le forze diventano particelle: tutto il mondo fisico è fatto di particelle! (economia concettuale). Ecco perché sono così importanti gli acceleratori di particelle!!!

55 Lo Shuttle e laddio 1986: Feynman viene nominato (controvoglia) dallamministrazione Reagan consulente tecnico nellinchiesta sulla catastrofe dello Shuttle e dimostra pubblicamente linadeguatezza della gomma di cui erano costituite le guarnizioni, immergendone un anello in un bicchier dacqua ghiacciata.

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58 R.P. Feynman: Sta scherzando Mr. Feynman, Zanichelli R.P. Feynman: QED, Adelphi R.P. Feynman: La legge fisica, Boringhieri Y. Kirsch, Y. Neeman. Cacciatori di particelle, Boringhieri K. Ford: La Fisica delle particelle, Mondadori L.D.Landau: Fisica quantistica relativistica, Ed. Riuniti G. Gamow: I trenta anni che sconvolsero la Fisica, Zanichelli Bibliografia di riferimento:


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