Il Tempo del Cosmo e delle Particelle Marco G. Giammarchi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Via Celoria 16 – 20133 Milano (Italy) marco.giammarchi@mi.infn.it http://pcgiammarchi.mi.infn.it/giammarchi/ MUSICA Francesco Tapella Francesco Tapella Costituenti della Materia Tempo nel mondo «classico» Tempo in Relatività Speciale Tempo in Relatività Generale La Freccia del Tempo Tempo Cosmico Tempo nel mondo delle Particelle Salvador Dalì. La persistenza della memoria. Musem of Moder Art, New York City 11-Apr-2013 Planetario di Milano Ulisse
1. I Costituenti della Materia Cosa abbiamo imparato (a scuola) ? Materia: composta da costituenti fondamentali: Molecole, Atomi, Nuclei Ossigeno Idrogeno Molecole: costituenti della materia Ipotizzate per comprendere la Chimica Leggi di Dalton e di Avogadro (1803-1811) Dimostrazione sperimentale finale: Perrin (1911) (studio dei moti e delle proprietà molecolari) 11-Apr-2013 Planetario di Milano Abissi
A loro volta le Molecole sono composte da Atomi Atomo = Nucleo, Elettroni Nucleo = Protoni, Neutroni L’Elettrone: una particella davvero elementare Diversi tipi di atomi: La Tavola Periodica 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Sul significato dell’Atomismo Parmenides (circa 500 AC), Zenon (circa 490 – 430 AC): l’esperienza della molteplicità è negabile. La materia è divisibile e suddivisa all’infinito. La divisione infinita della estensione fornisce come risultato zero, il niente, e quindi la molteplicità in cui consiste l’estensione corporea non esiste, è opinione illusoria. Demokritos (circa 460 – 370 AC): l’esperienza della molteplicità è innegabile La materia è suddivisa ma non all’infinito. A-tomos, indivisibile. Venne introdotto per fermare il processo di “riduzione al nulla” dell’estensione spaziale (Parmenide, Zenone). L’atomo è il punto in cui tale processo si ferma. Il senso in cui tutto ciò era inteso è diverso dal senso moderno di scienza. 11-Apr-2013 Planetario di Milano
A loro volta i protoni e i neutroni sono composti da: I quark (costituenti un protone o un neutrone) sono particelle elementari quark PROTONE quark quark Le particelle “elementari” sono quelle che costituiscono tutte le altre e che non hanno una loro struttura interna. Sono i mattoni costruttivi dell’Universo 11-Apr-2013 Planetario di Milano Terra
Decadono in particelle stabili Costituenti fondamentali della materia: Quark e Leptoni Materia ordinaria Sono elementari al meglio di 10-18 m Hanno spin e carica ben definiti Costituiscono la materia in condizioni ordinarie Massa Costituiscono le particelle instabili Decadono in particelle stabili 11-Apr-2013 Planetario di Milano
prendere particelle cariche Come si studiano le particelle elementari? Ad esempio in esperimenti con acceleratori di particelle. Ricetta: prendere particelle cariche accelerarle con sistemi elettrici e magnetici (acceleratori) farle urtare tra loro Tunnel di LHC, CERN (Ginevra) Nei grandi laboratori sistemi complessi di acceleratori portano particelle a energie elevatissime Negli urti tra queste particelle, altre particelle vengono prodotte. Massa si trasforma in energia e viceversa 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Esperimenti su particelle ai grandi acceleratori: CMS al CERN di Ginevra Sistemi complessi composti da rivelatori specializzati CDF al Fermilab (Chicago) ATLAS al CERN di Ginevra 11-Apr-2013 Planetario di Milano
+ 2. Il Tempo nella fisica classica Il concetto di tempo assoluto, di tempo come durata assolutamente indipendente da tutto il resto, è dovuto a Sir Isaac Newton. Dai Philosophiae Naturalis Principia Mathematica: “ Absolute, true and mathematical time, of itself, and from its own nature flows equably without regard to anything external ” Il mondo della Fisica Classica : Tempo: l’orologio del teatro. Un unico orologio per tutti. Un tempo cosmico Spazio : il teatro di tutti gli eventi + 11-Apr-2013 Planetario di Milano Eclipsis
Il mondo della Fisica Classica : Tempo: l’orologio del teatro. Un unico orologio per tutti. Un tempo cosmico Spazio : il teatro di tutti gli eventi x,y,z t Ma tutto questo vale sempre e comunque? Supponiamo di cambiare sistema di riferimento. E andiamo in un sistema in movimento, con velocità v, rispetto al nostro teatro : E in questo caso si dimostra che : Il tempo è un concetto assoluto in Fisica Classica (e anche la lunghezza)! 11-Apr-2013 Planetario di Milano
3. Il Tempo in Relatività Speciale Il concetto di tempo diviene relativo quando si comprende (Albert Einstein, 1905) che non è il tempo ad essere assoluto. Bensi’ la velocità della luce nel vuoto. Nelle trasformazioni corrette tra due sistemi di riferimento (in moto uniforme uno rispetto all’altro), tempo e spazio si trasformano per «mantenere» costante la velocità della luce Spazio e tempo si fondono in un unico concetto, lo spaziotempo. Si trasformano in modo congiunto. Intervalli di tempo e di spazio non sono più assoluti. 11-Apr-2013 Planetario di Milano
4. Il Tempo in Relatività Generale La Relatività Generale è una teoria della Gravitazione che rispetta il principio di equivalenza (Albert Einstein, 1905). Campo E (in un campo elettrico) Campo G (in un campo g) Immaginiamo una particella m,q che si muova in un campo elettrico o uno gravitazionale Ma se la gravitazione non dipende da nessuna caratteristica del corpo allora essa e’ una proprieta’ dello spaziotempo. Il moto NON dipende da come è fatta la particella Il moto dipende da come è fatta la particella Teoria geometrica della gravità. Curvatura dello spaziotempo 11-Apr-2013 Planetario di Milano
La massa (l’energia-momento) curva lo spaziotempo. Le rappresentazioni della gravità come curvatura dello spazio La massa (l’energia-momento) curva lo spaziotempo. Quindi lo scorrere del tempo dipende dalle masse nei pressi dei nostri orologi Lo scorrere del tempo dipende dalla presenza o meno di campi gravitazionali. Il tempo non è unico. Gravità diverse Tempi diversi Il caso limite dell’orologio lanciato verso il buco nero: http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/encyc_mod3_q15.html 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Il tempo è un parametro che caratterizza l’evoluzione di un sistema Fisica Classica Relatività Speciale e Generale Il suo fluire dipende da : La condizione di moto dell’orologio La struttura dello spaziotempo Il suo fluire è assoluto 11-Apr-2013 Planetario di Milano Orfeo
Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo 5. La Freccia del Tempo Freccia nel tempo: asimmetria tra presente e passato A. Eddington (1928) Ma cosa è una Simmetria nel tempo? Uno scambio tra passato e futuro! Condizioni A Condizioni B Legge Dinamica - Condizioni A Legge Dinamica - Condizioni B Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre Legge Dinamica Legge Dinamica Condizioni A Condizioni B - Condizioni A - Condizioni B Potrebbe essere il moto di un sasso nel campo gravitazionale terrestre Legge dinamica time-neutral. Simmetrica rispetto al tempo 11-Apr-2013 Planetario di Milano
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Ma come possiamo costruire una «freccia del tempo» allora ? Non si riesce a costruire una freccia del tempo con sistemi meccanici. Questo perché l’Equazione Dinamica è invariante: In generale si ritiene che i processi fisici a livello MICROSCOPICO siano simmetrici rispetto al tempo. Se la direzione del tempo venisse invertita la descrizione teorica sarebbe la stessa. D’altra parte nel mondo MACROSCOPICO esiste certamente una direzione preferenziale del tempo. Dal passato al futuro. Ma come possiamo costruire una «freccia del tempo» allora ? 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Una Freccia del Tempo può venire costruita in un sistema complesso usando il Secondo Principio della Termodinamica. L’Entropia può solo aumentare A B Inchiostro dissolto in acqua, nella metà di sinistra del recipiente. Si ha una sequenza temporale «ovvia» che corrisponde all’aumento di entropia. C D L’unica sequenza possibile è A,B,C,D anche se – dal punto di vista microscopico – anche la sequenza inversa è in linea di principio possibile. Non esiste conflitto tra le leggi MICROSCOPICHE T-reversibili e la legge MACROSCOPICA T-irreversibile. Il punto chiave è che lo stato D corrisponde a un numero molto maggiore di stati MICROSCOPICI rispetto ad A 11-Apr-2013 Planetario di Milano
6. Il Tempo del Cosmo Il quadro teorico dell’evoluzione dell’Universo su grande scala è basato su: La Teoria delle Relatività Generale come Teoria della Gravitazione Il Modello del Big Bang caldo Secondo tale visione l’Universo (omogeneo e isotropo alla scala > 100 Mpc) si è evoluto da uno stato nel passato di alta densità ed energia Le prove del Modello : Il red-shift di espansione La nucleosintesi primordiale La radiazione di fondo (L’inflazione) 11-Apr-2013 Planetario di Milano Kronos
Il tempo ZERO è la nascita dell’Universo, 13.8 miliardi di anni fa. Il Tempo Cosmico è il tempo di evoluzione del parametro di scala dell’Universo. Misurato da un qualsiasi osservatore (solidale con la radiazione cosmica di fondo) Il tempo ZERO è la nascita dell’Universo, 13.8 miliardi di anni fa. Uno stato di energia elevatissima e singolare La storia dell’Universo è determinata dalle leggi fisiche e da questa condizione iniziale Lo stato iniziale del Big Bang, Una condizione iniziale molto particolare. 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Una storia termica dell’universo Particelle/Antiparticelle libere Una storia termica dell’universo 11-Apr-2013 Planetario di Milano Pulsar
Osservazione importante: il tempo termodinamico probabilmente deriva dal tempo cosmico (intuizione di Boltzmann) : Se l’universo fosse iniziato da una condizione di equilibrio allora (probabilmente) non avremmo un concetto di entropia fatto così. Analogia Se il tutto è partito da uno stato relativamente ordinato, molto particolare (i primi istanti del Big Bang) allora è naturale (emergente) una tendenza alla massima entropia è naturalme (emergente) un concetto di tempo cosmico macroscopico 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Supponiamo allora di essere un Demiurgo Cosmico Se l’universo fosse iniziato da una condizione di equilibrio allora (probabilmente) non avremmo un concetto di entropia fatto così. Non avremmo tempo macroscopico. Creazione di Adamo – Michelangelo Buonarroti (Musei Vaticani - La Cappella Sistina) Due specie di gas perfetti (blu e rosso) Non interagenti se non per via di urti perfettamente elastici Freccia del tempo indefinibile 11-Apr-2013 Planetario di Milano
5. Tempo nel mondo delle Particelle Tralasciando un pezzo del problema (cioè la definizione del tempo in Meccanica Quantistica, relativamente all’idea di misura)……………... Dobbiamo prima ricordare che le interazioni fondamentali sono quattro : Interazioni Gravitazionali: note da tempo immemorabile. Teoria classica (Einstein) nel 1915. Responsabile della stabilità della materia macroscopica. Interazioni Elettromagnetiche: Teoria classica (Faraday, Maxwell) completata nel 1861. Responsabile della interazione tra particelle cariche (e come conseguenza sulla stabilità delle strutture atomiche). Importante anche sulla scala nucleare Interazioni Nucleari Forti: responsabili delle forze che intervengono nel nucleo (e della stabilità nucleare). A corto raggio di azione: 10-15 m (1 fermi, fm) Interazioni Nucleari Deboli: responsabili di alcuni importanti processi nucleari (certi tipi di fusione, radioattività). A corto raggio di azione (subnucleari). 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Forze fondamentali in Natura Gravità Forza Nucleare Forte Forza Nucleare Debole Idea: spiegare tutti i fenomeni fondamentali (quindi, tra i costituenti) per mezzo di queste interazioni Elettromagnetismo 11-Apr-2013 Planetario di Milano Terra
Il tempo è una simmetria quantistica ben definita: T Come può essere studiate l’invarianza temporale ? Invertendo stati iniziali e finali. E verificando se : (bilancio dettagliato) L’invarianza per T a livello microscopico riguarda le ampiezze di transizione. Una prova “classica”, lo studio della reazione Le Interazioni Nucleari forti sono T-simmetriche Le Interazioni Elettromagnetiche sono T-simmetriche Le Interazioni Gravitazionali sono T-simmetriche Ampiezza di Transizione uguale nei due sensi della reazione 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Esperimento BaBar a SLAC (Stanford, California) 6. Violazione dell’invarianza per T ? E le Interazioni Nucleari Deboli ?? Come studiare l’asimmetria nel tempo delle Interazioni Nucleari Deboli ? La difficoltà sta nella bassa probabilità di Interazione Debole Per cui non è possibile scambiare stati finali del tipo : Interazione Nucleare Debole Occorre trovare due stati connessi dalla sola Interazione Debole, studiarne l’evoluzione temporale nei due sensi (ed essere sicuri sia solo T a connetterli) Esperimento BaBar a SLAC (Stanford, California) 11-Apr-2013 Planetario di Milano
11-Apr-2013 Planetario di Milano
Produzione di particelle in urti e+e- La misura è stata effettuata osservando la diversità dei tassi di reazione della “oscillazione” tra due stati , del tipo : Produzione di particelle in urti e+e- Studio della evoluzione temporale delle particelle prodotte 11-Apr-2013 Planetario di Milano
Violazione di invarianza temporale nel mondo delle Particelle Considerando tutti gli stati osservati in questa misura, si sono studiate quattro reazioni e le loro reazioni inverse : Violazione di invarianza temporale nel mondo delle Particelle Misura di trasformazioni tra stati di particelle con risoluzione temporale inferiore al picosecondo. WoW! -------------- Nessuna asimmetria -------------- T - asimmetria 11-Apr-2013 Planetario di Milano Solaris
Grazie della vostra attenzione Il tempo è il parametro che caratterizza l’evoluzione dei sistemi fisici. Il suo scorrere dipende dagli stati di moto e/o dalla presenza dell’energia. Nel MACROSCOPICO l’asimmetria forse dovuta alle condizioni speciali di inizio dell’Universo. Ora sappiamo che è asimmetrico nell’infinitamente piccolo. Al livello delle particelle. Grazie della vostra attenzione 11-Apr-2013 Planetario di Milano One Song Man
11-Apr-2013 Planetario di Milano