Introduzione alla Fisica Marco Panareo

Cos’è la Fisica La parola “Fisica” viene dal greco φύσις che significa natura: Sino alla fine del diciottesimo lo studio dei fenomeni naturali era l’oggetto di una sola disciplina, la filosofia naturale (philosophia naturalis). Con l’aumentare delle conoscenze, si sono sviluppate due discipline separate per lo studio della natura: le scienze biologiche, che hanno per oggetto lo studio degli esseri viventi; le scienze fisiche, come la Fisica e la Chimica, che si occupano invece della materia inanimata. In particolare la Fisica era considerata lo studio dei processi in cui la natura delle sostanze che vi partecipano non cambia (fenomeni fisici). Attualmente la Fisica è intesa quale lo studio dei costituenti della materia e delle loro interazioni mutue: L’obiettivo della Fisica è spiegare le proprietà della materia e tutti i fenomeni osservati in termini di queste interazioni

Settori della Fisica Tradizionalmente la fisica è stata organizzata in settori, questa classificazione è in relazione alle nostre percezioni sensorie: Luce → Visione → “Ottica” Suono → Udito → “Acustica” Calore → … → “Termodinamica” Moto → … → “Meccanica” …e inoltre, quasi non riconducibile ad esperienze sensorie: “Elettromagnetismo”

Organizzazione della Fisica Queste discipline sviluppate entro il diciannovesimo secolo prendono il nome di “Fisica classica”: Ottica Acustica Termodinamica Meccanica → Gravitazione (18° secolo) Elettromagnetismo La fisica nata intorno al primo trentennio del ventesimo secolo è detta “Fisica moderna” ed è costituita sostanzialmente dalla: Meccanica quantistica

Organizzazione della Fisica Le parti classiche della Fisica costituiscono importanti ambiti di specializzazione e di attività professionale, tuttavia, attualmente questa organizzazione della Fisica in settori è considerata priva di senso! Con la formalizzazione della Meccanica, lo sviluppo dell’Elettromagnetismo e la costruzione della Meccanica Quantistica si è compreso che è possibile una visione dei fenomeni fisici da un punto di vista unitario. L’organizzazione in settori rimane per motivi di carattere unicamente storico e pratico.

La Materia Attualmente consideriamo la materia costituita da particelle fondamentali (elementari) Tutti i corpi, viventi e non sono pensati quali aggregazioni di tali particelle La maggior parte della materia è formata da: Elettroni Quark up (u) down (d) Massa: 0.9x10-30 kg 8.8x10-30 kg 1.8x10-29 kg Carica: -1.6x10-19 C (e) (+2/3) e (-1/3) e Protoni Neutroni uud udd 1.672x10-27 kg 1.675x10-27 kg + e 0 C Tutte le altre particelle sono instabili

Aggregazioni Queste particelle fondamentali si aggregano in gruppi definiti che chiamiamo atomi in cui neutroni e protoni sono confinati in una piccola regione detta nucleo Sono state riconosciute circa 104 specie di atomi costituiti in circa 1300 varietà diverse dette isotopi Gli atomi formano a loro volta altri aggregati detti molecole A seconda del numero di atomi riconosciamo Molecole piccole: HCl, CO2, H2O, NH3, CH4, ecc… Molecole grandi: proteine, enzimi, acidi nucleici, RNA, DNA, polimeri Le molecole si raggruppano in corpi apparendo in forma: Solida Liquida Gassosa Plasma densità Un aggregato particolarmente importante è il protoplasma nel quale gruppi di molecole si organizzano funzionalmente manifestando proprietà distinte dalla materia inerte.

Ordini di grandezza Uomo Sistema solare Galassia “Via Lattea” Circa 1028 atomi (principalmente C, H, O, N, …) Sistema solare Terra: circa 1051 atomi Sole: circa 1057 atomi Galassia “Via Lattea” Circa 1011 stelle Circa 1070 atomi 1020 m 1021m Galassia più vicina: Andromeda Dista 2x1022 m (2x106 l.y.) Contiene più di 1011 stelle 100˙000 l.y. Universo Circa 1020 stelle Raggruppate in circa 1010 galassie Contenenti un numero totale di circa 1080 atomi Distribuito in una regione di raggio pari a circa 1026 m (1010 l.y.)

Domande Perché i quark si legano per formare protoni e neutroni? Perché protoni e neutroni si legano per formare i nuclei? Perché i nuclei e gli elettroni formano gli atomi? Perché le molecole formano i corpi?

Interazioni I quark interagiscono tra loro formando configurazioni stabili: protoni, neutroni Queste particelle interagiscono e formano atomi stabili A loro volta gli atomi interagiscono per formare molecole e le molecole formano i corpi Inoltre la materia macroscopica manifesta delle interazioni come la gravitazione

Obiettivi dell’indagine fisica Identificare le interazioni: Gravitazionale Elettrica Nucleari Esprimerle in termini quantitativi attraverso l’uso della matematica Formulare regole generali sul comportamento della materia che deriva da queste interazioni fondamentali La descrizione complessiva della materia deve essere di natura statistica: Ad esempio, in una goccia d’acqua ci sono circa 1020 molecole

Range La Fisica copre un enorme intervallo di grandezze che si estendono: Lunghezze: 10-18 m 109 m Masse: 10-31 kg 1030 kg Le leggi fondamentali restano sempre le stesse ma il modo in cui si esprimono e i tipi di approssimazione fatte dipendono dal particolare intervallo di ordini considerato

Collegamenti con le altre scienze L’obiettivo della Fisica è la spiegazione dei fenomeni naturali attraverso la comprensione dei costituenti fondamentali della materia e delle loro interazioni Pertanto la Fisica può essere considerata la più fondamentale delle scienze naturali: La Chimica tratta l’applicazione delle leggi fisiche alla formazione delle molecole e i metodi pratici di trasformazione di molecole in altre La Biologia tratta l’applicazione della Fisica e della Chimica ai processi relativi alla materia vivente L’Ingegneria tratta l’applicazioni dei principi della Fisica e della Chimica alla soluzione di problemi di carattere pratico

Collegamenti con le altre scienze La Fisica è importante in quanto fornisce le tecniche utilizzabili in ogni campo della ricerca pura ed applicata: l’astronomia usa tecniche ottiche spettroscopiche e radio; la geologia usa metodi gravimetrici, acustici, nucleari e meccanici; altrettanto dicasi per la meteorologia, la sismologia, l’oceanografia, ecc. Un moderno ospedale è equipaggiato con laboratori all’interno dei quali sono usate le più sofisticate tecniche di Fisica, sia per la diagnostica che per la terapia.

Il metodo sperimentale Per conseguire il suo obiettivo la Fisica si affida a: Osservazione Sperimentazione L’osservazione è l’accurato esame critico dei fenomeni e l’analisi dei fattori che li influenzano le condizioni sotto le quali i fenomeni si manifestano spesso sono poco variabili o flessibili oppure i fenomeni si verificano raramente e la loro analisi sarebbe troppo lenta Per questo è necessaria la sperimentazione che consente l’osservazione dei fenomeni in circostanze controllate

Approccio teorico La sperimentazione non rappresenta l’unico strumento di indagine fisica. Attraverso la conoscenza di alcuni fatti è possibile proporre un modello teorico della situazione in esame. Seguendo un approccio logico-deduttivo ed usando dei metodi matematici e numerici, il modello può portare alla predizione di fenomeni nuovi. Solo l’esperimento può confermare o confutare il modello teorico proposto È sufficiente un unico esperimento che sia discordante con la teoria per invalidarla

Lavoro in abito fisico MEG Group In passato gli scienziati lavoravano isolatamente La scienza moderna, per la sua complessità è il risultato di un lavoro di gruppo nel quali teorici e sperimentali operano insieme. MEG Group

Lavoro in abito fisico Lavorare insieme non richiede la presenza contemporanea nello stesso luogo. I moderni mezzi di comunicazione consentono l’interazione a distanza tra le persone permettendo a scienziati distanti e di nazionalità diverse di lavorare congiuntamente per uno stesso progetto Proprio a questo scopo nel 1990 presso il CERN di Ginevra è nato il World Wide Web (W W W) Tim Berners-Lee Robert Cailliau

Scienza Questo modo di lavorare non è proprio della Fisica ma ormai a quasi tutte le scienze e pertanto prova il valore universale della Scienza, che scavalca qualsiasi barriera umana e aumenta la conoscenza È auspicabile che la Scienza, attraverso questo tipo di cooperazione, sia di aiuto nel far progredire la comprensione tra gli uomini