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A cura di Paul davies. Capitolo 1 La nuova fisica:una sintesi Paul Davies.

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1 A cura di Paul davies

2 Capitolo 1 La nuova fisica:una sintesi Paul Davies

3 Introduzione I° rivoluzione: Galileo, Newton II° rivoluzione: inizio IXX secolo con la teoria della relatività, dei quanti e la scoperta della radioattività La nuova fisica: copre argomenti come buchi neri, particelle subatomiche, nuovi materiali e le reazioni chimiche La nuova fisica comprende: Il piccolo Il grande Il complesso

4 La nuova fisica: il piccolo La fisica delle particelle subatomiche è Il campo più spettacolare della nuova fisica Strumento per la ricerca dei costituenti ultimi della materia È il banco di prova per la relatività ristretta e per la meccanica quantistica Le particelle vengono raggruppate in due classi: Adroni= particelle pesanti quali il neutrone, protone ed altri e soggette allinterazione forte Leptoni= particelle leggere quali lelettrone il neutrino e altre ed interagiscono tramite la forza forte; i leptoni sono elementari mentre gli adroni sono formati da quark

5 QED, QCD,GUT QED: applicando la teoria quantistica al campo elettromagnetico nel modo appropriato abbiamo lelettrodinamica quantistica, una teoria coerente delle interazioni tra elettroni, positroni e fotoni nella quale, lidea essenziale è che elettroni e positroni interagiscono tramite lo scambio di fotoni Il fotone è visto come una particella messaggera QCD - cromodinamica quantistica: stabilisce le regole con le quali i quark interagiscono scambiandosi particelle dette gluoni. È molto simile alla QED GUT: teoria delle grandi unificazioni. Hanno destato molti interessi e offrono alcune verifiche sperimentali: lesistenza dei monopoli magnetici ed il decadimento del protone. Secondo alcuni scienziati i due fenomeni sono stati già osservati.

6 Il grande Quando la fisica viene applicata sulle distanze più grandi, allora diventa cosmologia, cioè lo studio della struttura globale e dellevoluzione delluniverso

7 Capitolo 2 La rinascita della relatività generale Clifford Will

8 Introduzione 1915 Einstein formula la relatività generale allo scopo di costruire una teoria della gravitazione che incorporasse sia la relatività ristretta (1905), il principio di equivalenza e la fisica nei riferimenti in caduta libera o inerziali Einstein propose tre verifiche classiche: precessione del perielio di Mercurio Deflessione della luce in un campo gravitazionale Spostamento dello spettro luminoso in un campo gravitazionale che è stato rimpiazzato dal ritardo della luce visto che lo spostamento è una verifica del PPE le verifiche della relatività generale vengono effettuate con una certa precisione: 1960 scoperta del quasar, delle pulsar, del sottofondo a microonde

9 La storia dello spazio curvo Newton aveva in mente un principio molto semplice di equivalenza: la traiettoria di un corpo in caduta libera è indipendente dalla struttura e composizione interna PEE= principio di equivalenza di Einstein: 1) il principio di equivalenza debole è valido; 2)il risultato di qualunque esperimento locale non gravitazionale è indipendente dalla velocità del sistema di riferimento in caduta libera nel quale lesperimento avviene (invarianza di Lorenz); 3) il risultato di un qualunque esperimento locale non gravitazionale è indipendente dal tempo e dal luogo dove lesperimento avviene (invarianza di posizione) Le equazioni di Maxwel rispettano la PEE

10 La storia dello spazio curvo Metrica: variabile matematica, ingrediente fondamentale dello spazio curvo; determina le relazioni geometriche tra gli eventi quali la distanza tra due punti in un dato istante, il tempo La relatività ristretta è descritta in una metrica piatta detta di Minkowski Linvarianza di Lorentz è verificata dagli esperimenti ad alta energia Variazione di frequenza di un segnale da un orologio allaltro: Se la distanza h tra emittente e ricevente è piccola: PPN formalismo parametrizzato post newtoniano: nella relatività generale, quando le velocità sono molto piccole rispetto a c^2, si utilizza la meccanica di Newton

11 La relatività generale messa alla prova Le verifiche sono tre e sono dette classiche: la deflessione della luce, il ritardo della luce, lo spostamento del perielio di mercurio. La seconda è una conseguenza della prima ma Einstein non laveva presa in considerazione; fu Irwin Shapiro nel 1964 ad ipotizzarla La prova della deflessione della luce rese Einstein famoso. Secondo la PPN, la luce passando vicino al sole ad una distanza d viene deviata di un angolo

12 La relatività generale messa alla prova Con le nuove tecniche di radiointerferometria sono stati raggiunti risultati molto più precisi- la radiointerferometria è una tecnica nella quale si combinano radiotelescopi molto distanti tra loro: determinando le differenze di fase nel segnale ricevuto dai vari telescopi si può misurare la direzione della sorgente delle onde VBLI= Very long baseline interferometry Misura del ritardo di un segnale di andata e ritorno Terra-Marte quando sono in congiunzione superiore. La formula da verificare è:

13 La relatività generale messa alla prova Le due formule precedenti sono molto simili anche perché i due fenomeni sono correlati tra loro. Dal 1960 in poi le due verifiche sono migliorate anche grazie ai satelliti. Lavanzamento del perielio di Mercurio è in fase di miglioramento

14 Onde gravitazionali: nuove increspature in un vecchio stagno Lidea di onde gravitazionali è nata proprio quando è stata formulata la relatività generale Nel 1916 Einstein era riuscito a dimostrare che le sue equazioni di campo ammettono soluzioni tipo ondulatorio Un oggetto formato da unasta e due sfere, posto in rotazione intorno ad un asse perpendicolare generano onde gravitazionali Nel 1960, Bondi dimostrò che la radiazione gravitazionale è un fenomeno osservabile che sottrae energia, momento angolare e massa ai sistemi che ne emettono

15 Onde gravitazionali La perdita di energia gravitazionale dovuta alle onde potrebbe essere formulata nel seguente modo: La conseguenza di tale perdita si manifesta in contrazione dellorbita Unonda elettromagnetica è generata da cariche in movimento; unonda gravitazionale è generata da masse in movimento

16 Onde gravitazionali Londa gravitazionale consiste in un campo oscillante, perpendicolare alla direzione di propagazione Unonda elettromagnetica è generata da cariche in movimento mentre, unonda gravitazionale è generata da stelle che vibrano o che collassano, da un sistema binario o da un buco nero in atto di ingoiare una stella. Più lontani sono i corpi, minore è leffetto Nel 1965 Weber aveva messo in atto un esperimento

17 Le stelle di neutroni e i limiti imposti dalla relatività Gli effetti relativistici delle stelle sono molto piccoli e si misurano con il fattore GM/Rc 2 Loggetto di tipo stellare per il quale la relatività è importante è la stella di neutroni e il fattore di cui sopra, può arrivare a 0.3 La stella collassata ha una densità così elevata a causa della fortissima attrazione gravitazionale, che gli elettroni atomici sono schiacciati con i protoni del nucleo formando così neutroni degeneri. Se le particelle degeneri fanno parte di nane bianche (stelle con massa non superiori a 1,4 la massa del sole), si parla di elettroni; se le particelle degeneri sono neutroni, allora fanno parte di stella a neutroni con massa non superiori a 5.7 la massa solare Le stelle di neutroni non possono assumere velocità di rotazione infinita, esiste un limite superiore.

18 La nuova fisica dei buchi neri La prima idea di buco nero risale al diciottesimo secolo e compare negli scritti del reverendo John Michell. Nel 1939 Oppenheimer e Snyder, studiavano cosa succede ad una stella che ha esaurito il combustibile nucleare necessario per produrre calore e pressione che contrasti la forza di gravità. Secondo questi studi, la stella continua a collassare e, se abbastanza massiva da non potersi fermare ad una nana bianca o ad una stella di neutroni, riduce il suo raggio fino a quello gravitazionale o di Swhwarzschild dato da 2GM/c 2.

19 La nuova fisica dei buchi neri Negli anni 70 si riaccese linteresse per la relatività sia per la scoperta dei quasar che per una nuova soluzione esatta delle equazioni di Einstein scoperta da Roy Kerr La soluzione di Kerr è quella del campo gravitazionale generato da un buco nero rotante, mentre quella di Swarzschild è quella di un campo gravitazionale non rotante La superficie dei buchi neri fu chiamata orizzonte degli eventi; in esso tutto entra e niente può uscire Da lontano, il campo gravitazionale di un buco nero è lo stesso di un campo gravitazionale normale

20 La nuova fisica dei buchi neri Nella gravità newtoniana, se un corpo con momento angolare non nullo, si avvicina ad una stella, il corpo viene deviato; se si avvicina ad un buco nero, la stessa particelle può anche compiere un giro a spirale e allontanarsi o, può essere risucchiato dal corpo massivo. Tutto dipende da quanto è grande il momento angolare del corpo incidente. Lergosfera è la regione entro la quale il corpo precipita allinterno del buco nero

21 La nuova fisica dei buchi neri Le leggi della meccanica del buco nero La legge zero: in condizioni stazionarie o di equilibrio la gravità di superficie di un buco nero k è la stessa in tutti i punti dellorizzonte La prima legge: nella trasformazione da uno stato a stato vicino, lenergia del sistema cambia secondo la seguente legge dove A è larea dellorizzonte e W è il lavoro fatto per cambiare la velocità di rotazione del buco nero La seconda legge: in un qualunque processo fisico che si svolga in un sistema isolato, larea totale di tutti gli orizzonti del sistema non può mai diminuire La terza legge: è possibile con una successione finita di passi portare la gravità di superficie al valore zero

22 La nuova fisica dei buchi neri Nel 1974 Hawking applicando la matematica della teoria quantistica dei campi al contesto di uno spazio- tempo dei buchi neri, dimostrò che questi possono evaporare mediante la creazione di coppie particelle- antiparticelle da parte del vuoto vicino allorizzonte degli eventi. Lentropia totale della materia e del buco nero non può mai diminuire Lentropia di un buco nero è data da Questo processo di evaporazione fa si che il buco nero svanisca del tutto

23 La nuova rispettabilità della cosmologia Einstein ipotizzò che luniverso potesse essere descritto, in prima approssimazione, con una distribuzione omogenea di materia Einstein ipotizzava anche che luniverso fosse statico ma, per ottenere soluzioni del genere nelle equazioni relativistiche, dovette aggiungere un nuovo termine detto cosmologico Nel 1965 Penzias e Wilson della Bell Telephone scoprirono una radiazione di fondo, il residuo dellemissione elettromagnetica da parte di un buco nero. Questa fu la prova che luniverso non è statico.

24 Capitolo 3 Luniverso inflazionario Alan Guth Paul Steinhart

25 Introduzione Alcune manchevolezze del modello del Big bang hanno portato allo sviluppo di una nuova teoria sui primissimi istanti delluniverso: la teoria inflazionaria La teoria inflazionaria è in accordo con quella del big bang per i tempi successivi ai secondi. Il modello del big bang ha le seguenti previsioni verificabili sperimentalmente: 1. luniverso si espande e le galassie si allontanano luna dallaltra con velocità proporzionale alla loro distanza 2. Cè un sottofondo cosmico di microonde 3. La previsione esatta della sintesi dei nuclei atomici leggeri I problemi del big bang sono la spiegazione delluniformità su vasta scala e il calcolo del rapporto tra densità di energia e densità critica

26 Teorie unificate Le interazioni note in natura sono quattro e le elenchiamo partendo dalle più deboli: Gravitazione Debole Elettromagnetiche Forti Le interazioni deboli agiscono su distanze mille volte più piccole del nucleo atomico


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