Da Galileo alla Fisica Moderna - un viaggio oltre il "senso comune" Catalina Curceanu LNF-INF 27 aprile 2010

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

Il metodo scientifico Osservazione Ipotesi Previsione “Eleganza: Descrivere un numero sempre maggiore di fenomeni, usando un numero sempre minore di leggi (o di idee?)” Osservazione Ipotesi Previsione

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

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»

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

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

Fisica Moderna: 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 Einstein formulated his most famous papers in 1905. The first hints of quantum effects came in 1900.

(da qui il nome di relatività) 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)

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

NEWTON 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.

Le leggi che descrivono GALILEO enunciò l’equivalenza tra due sistemi di riferimento inerziali in moto uniforme l’uno rispetto all’altro Le leggi che descrivono il moto dei corpi sono le stesse

A waterbug kicks its legs and a wave travels out in every direction over a still pond with the speed s. Waves in water, air or solids all require a material medium to travel on or through. As in the moving water shown above, when the medium has a motion of its own, the waves are carried with it. Here, as the waterbug kicks to remain still relative to the bank, the speed of the current increases the speed of the wave in the direction of the current and decreases it in the direction opposite the current.

Grandezze che caratterizzano la nostra vita quotidiana (senso comune) 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”

Einstein (1905) Soluzione 2 al risultato nullo dell’esperimento M &M : Relatività Speciale di Einstein N.B. Einstein NON era a conoscenza dell’esperimento di M & M

Postulati della Relatività Speciale Einstein (1905) 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. Soluzione 2 al risultato nullo dell’esperimento M &M : Relatività Speciale di Einstein N.B. Einstein NON era a conoscenza dell’esperimento di M & M che spiega il risultato nullo dell’esperimento M & M eq. di Maxwell  in tutti i R.I. Etere non esiste

An observer in this thought experiment finds the light beam travels at the same speed c no matter whether he is (a) at rest relative to the flashlight or (b) moving alongside the light beam at a speed equal to 0.3c.

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

Contrazione delle lunghezze 10% velocita’ della luce

Contrazione delle lunghezze 86% velocita’ della luce

Contrazione delle lunghezze 99% velocita’ della luce

Contrazione delle lunghezze 99.99% velocita’ della luce

Meccanica Quantistica 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. Waves are particles and particles are waves. Light is made up of individual photons. Electrons can form diffraction patterns just like light. Quantum mechanics forms the theoretical underpinning of the semiconductor revolution. It is also required to understand superconductivity, a technology very important here at Fermilab. Heisenberg nel 1925, all’eta’ di 24 anni

Interferenza da due sorgenti

Interferenza a singola particella Sorgente B parete a 2 fenditure schermo

Interferenza a singola particella Probabilità di rivelare una particella PA(x) Sorgente B parete otturatore

Interferenza a singola particella Sorgente Probabilità di rivelare una particella PB(x) B parete otturatore

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

Interferenza quantistica Probabilità totale di rivelare una particella P(x) Frange di interferenza A Sorgente B Da quale fenditura passa la particella ? Da entrambe !

TELETRASPORTO: REALTA’ O FANTASCIENZA?

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)

Marte: ALICE A Luna: BOB 2 fotoni nello stato B

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

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

4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !! Le forze fondamentali 4 interazioni per spiegare tutto l’Universo !! 1029 1040 1043 1

e u s c t Il Modello Standard d b m ne n n g g W Z ? Fermioni Bosoni I elettrone ne e-neutrino d down up u I m muone n m-neutrino s strange c charm II t tau n t-neutrino b bottom top III g gluone Gravità il fantasma dell’opera Quarks g fotone Mediatori di Forze Z bosone W Leptoni Dopo protone, neutrone ed elettrone furono scoperte (nei raggi cosmici) o prodotte (dagli acceleratori) molti altri tipi di particelle; le loro proprieta’ erano tali da poterle organizzare in modo regolare (come Mendeleev aveva fatto per gli atomi) Tale regolarita’ fece pensare alla presenza di costituenti ancora piu’ elementari che vennero cercati e trovati. Questi costituiscono I “mattoni” del Modello Standard delle Particelle” Anche in questo caso, l’esistenza di una regolarita’ (organizzazione di famiglie “uguali” ma via via piu’ pesanti) porta a pensare che esistano costituenti “ancora piu’ fondamentali” che, pur essendo stati cercati agli acceleratori e nell’Universo, per ora non sono stati ancora trovati. Sono escluse dall’attuale MS le interazioni gravitazionali; anche questo e’ un indizio di un “qualcosa di piu’ elementare e generale” da scoprire (ampliamenti del MS, teoria delle stringhe, GUT, etc…) Famiglie di materia Bosone di Higgs ?

ASTROPARTICELLE Studio Diretto Studio Indiretto >106 Km 300 Km Cosmici Primari Neutrini Studio Diretto 300 Km 40 Km muoni Particlelle Secondarie Atmosfera Rivelatori Sotterranei Studio Indiretto EAS Rivelatori Sottomarini

I collisori materia-antimateria ADONE a Frascati nel 1969 LEP al CERN di Ginevra 1988 LHC al Cern di Ginevra nel 2009 DAFNE ADA a Frascati 1959

abell2218 blu

Sn 1987 a nella grande nube di magellano

La Storia dell’Universo cosmologia A partire dalle “cose” che ci circondano e vediamo (dunque anche le stelle), l’uomo ha cercato di studiare e capire “l’infinitamente grande” e “l’infinitamente piccolo” L’infnitamente grande permette di studiare l’infinitamente piccolo: andare a studiare oggetti e fenomeni sempre piu’ lontani nel tempo equivale a studiare “ambiti” sempre piu’ piccoli. fisica sub-nucleare fisica nucleare astrofisica chimica biologia

Universo in espansione, dal piccolo al grande, dal caldo al freddo

…e quindi… Semplici leggi fisiche predicono che le regioni piú o meno dense emettono radiazione piú o meno calda… Ma allora, l’immagine della radiazione di fondo è una fotografia delle strutture create dal Big Bang! Proprio l’immagine della Terra ci fa vedere le sue strutture! Subito dopo la scoperta, parte la ricerca delle disomogeneitá nella radiazione di fondo…

COsmic Background Explorer (COBE) Premio nobel per la fisica 2006 a John Mather e George Smoot

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, in operazione ora)

Nuove conoscenze: Big Bang ed Inflazione cosmica

Nuove conoscenze: la composizione del cosmo

Nuove conoscenze: l’espansione accelera! Le osservazioni indicano che l’Universo sta accelerando la sua espansione L’accelerazione sarebbe iniziata alcuni miliardi di anni fa Questo processo puó essere ricondotto ad una forma di energia nello spazio vuoto, ipotizzata e poi ritrattata da Einstein ed altri fisici nell’ultimo secolo

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

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 …

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

diversi stati di oscillazione della stringa  particelle diverse Questioni Aperte Le particelle sono veramente puntiformi ? Teoria delle Stringhe ulteriore livello microscopico: particelle non sono puntiformi, ma piccoli (10-33 cm) anelli oscillanti diversi stati di oscillazione della stringa  particelle diverse

Fisica LHC (1) 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 (2) 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?

Large Hadron Collider

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

Large Hadron Collider

Large Hadron Collider - ATLAS

Large Hadron Collider

Large Hadron Collider - ALICE

Large Hadron Collider - LHCb

Large Hadron Collider - CMS

LHC e ATLAS: selezione eventi interessanti 800 milioni di collisioni al secondo. Solo una decina con “lampi” interessanti. My talk consist: In an introduction. In a description of the radiation tolerant FPIX chip developed at Fermilab. In a briefly review of radiation effect in CMOS devices with more detailed regarding radiation induced SEE’s. In a look to the experimental setup of 200MeV proton irradiation tests with chip prototypes. In a discussion of the results on … On the impact on the BTeV pixel vertex detector. The conclusions and what next will close the talk. E’ come cercare un ago in un pagliaio.

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.”

Tutto è pronto, se lo sono le nostre menti. William Shakespeare