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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 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 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) -L’astronomia (2009 – anno internazionale dell’astronomia; 400 anni Galileo – cannochiale) -Ottica, idraulica, acustica, magnetismo, termologia

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

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 l’esperienza di ogni giorno, oltre il senso comune Hanno “partorito”: La teoria della Relativita’ La Meccanica Quantistica

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 Relatività Speciale Einstein, Lorentz, Poincaré (1900  1905)

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 l’ora, il giorno, il mese, l’anno. 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 l’aria passa, ora un’altra parte di esso; e cosí muterà assolutamente in perpetuo.

15 GALILEO enunciò l’equivalenza tra due sistemi di riferimento inerziali in moto uniforme l’uno rispetto all’altro

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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 Einstein (1905)

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 dell’esperimento M & M eq. di Maxwell  in tutti i R.I. Etere non esiste Einstein (1905)

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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 l’intervallo di tempo durante il quale si verifica un fenomeno in un altro sistema inerziale in moto rispetto al proprio sistema

22 Contrazione delle lunghezze 10% velocita’ della luce

23 Contrazione delle lunghezze 86% velocita’ della luce

24 Contrazione delle lunghezze 99% velocita’ della luce

25 Contrazione delle lunghezze 99.99% velocita’ della luce

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 l’atomo, e/o ancora piu’ piccoli (particelle), c’e’ bisogno della meccanica quantistica. Heisenberg nel 1925, all’eta’ di 24 anni

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28 Interferenza da due sorgenti

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

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

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

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

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 TELETRASPORTO: REALTA’ O FANTASCIENZA?

35 Cos’è 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 Luna: BOB Marte: ALICE 2 fotoni nello stato B A

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

38 L’atomo all’inizio del ‘900L’atomo di Thompson L’atomo di Rutherford e Bohr L’atomo quantistico La struttura del nucleo Il nucleo oggi

39 Le forze fondamentali interazioni per spiegare tutto l’Universo !!

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 dell’opera FermioniBosoni Il Modello Standard

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 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

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45 La Storia dell’Universo astrofisica biologia fisica nucleare fisica sub-nucleare cosmologia chimica

46 Enigmi in cosmologia Non sappiamo… quali processi hanno preceduto l’Inflazione, e se essi sono descritti da una trattazione unificata della gravità e le altre tre forze conosciute che cosa ha generato l’inflazione cosmica che cosa è la materia oscura cosa sta facendo accelerare l’espansione cosmica

47 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 l’impronta di oscillazioni spaziotemporali impresse al Big Bang Miliardi di galassie in mappe 3D dell’universo Esplosioni di supernove e raggi gamma per ricostruire la storia dell’espansione cosmica ``Cugini” della materia oscura nel Large Hadron Collider …

48 F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002 L’unificazione di tutte le forze? L’unificazione delle forze

49  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

50 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)

51 Sappiamo ora che il 95% della massa dell‘universo 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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53 Large Hadron Collider

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

55 Large Hadron Collider

56 Large Hadron Collider - ATLAS

57 Large Hadron Collider

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59 Large Hadron Collider - ALICE

60 Large Hadron Collider - LHCb

61 Large Hadron Collider - CMS

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63 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.

64 F.Riggi, Microcosmo e macrocosmo, Vacanze studio Gennaio 2002 Filmato CERN L’unificazione delle forze

65 Einstein “L’esperienza piu’ bella che possiamo avere e’ il mistero. E’ l’emozione fondamentale alla base della vera arte e della vera scienza. Chi non sa cos’e’ e non sa piu’ sognare o meravigliarsi, e’ come morto, e il suo sguardo e’ spento.”

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