La realtà non è sempre come ci appareIl pensiero scientifico in a nutshell

Fisica Sperimentale con Laboratorio Lezione Introduttiva, 3 Marzo 2015

Prof. Daniela Rebuzzi email: daniela.rebuzzi@cern.chhome page: http://www2.pv.infn.it/~rebuzzi/KIRO: http://elearning1.unipv.it/chimica/course/view.php?id=15

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Daniela Rebuzzi La realtà non è sempre come ci appare 03.03.2015

Abbiamo sempre visto il mondo così?

Grecia, VI secolo a.C: • Talete, Anassimandro, Ecateo e la loro scuola di Mileto

“Io vi scrivo cose che a me sembrano vere; perchè i racconti dei Greci mi sembrano pieni di contraddizioni e ridicoli.”→ La Terra galleggia nel cielo e il cielo continua anche sotto la Terra, l’acqua della pioggia viene dall’evaporazione terrestre, l’uomo si è evoluto da altri animali

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• Leucippo e DemocritoIl mondo intero è formato da uno sterminato spazio vuoto, nel quale sono presenti innumerevoli atomi, indivisibili, grani elementari della realtà“Opinione il dolce, opinione l’amaro, opinione il caldo, opinione il freddo, opinione il colore: in realtà soltanto gli atomi e il vuoto”→ Il mondo può essere compreso con la ragione

i primi “atomisti” della storia

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Abbiamo sempre visto il mondo così?

Magna Graecia, VI-V secolo a.C:• Pitagora (ripreso in Platone)

“È il numero che governa le forme e le idee” → Il linguaggio adatto per comprendere e descrivere il mondo è la matematica

• Platone e Eudosso, Aristarco e Ipparco, suoi discepoli → Si può trovare una matematica capace di descrivere e predire i movimenti dei corpi celesti che vediamo nel cielo notturno?

Alessandria, I secolo d.C:• Tolomeo, Almagesto

→ L’intuizione di Pitagora funziona, la matematica permette di descrivere il mondo (i corpi celesti) e di prevedere il futuro

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intuizione immensa, una delle ragioni del successo della scienza occidentale!

la domanda dalla quale sarebbe emersa la scienza moderna

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Le rivoluzioni del XVII secolo

Più di un millennio dopo, nel 1600• Copernico

→ Applica il sistema tolemaico ponendo il Sole al centro mentre la Terra, insieme agli altri pianeti, orbita intorno ad esso

• Keplero→ Poche nuove e semplici leggi matematiche descrivono esattamente il movimento dei pianeti intorno al Sole

• Galileo→ Se la Terra è un pianeta come gli altri, anch’essa fa parte del cielo e quindi anche sulla Terra devono esistere leggi matematiche precise che governano il moto degli oggetti→ “Sensate esperienze e dimostrazioni necessarie” - pone le basi del metodo scientifico ed esegue esperimenti: i corpi non cadono a velocità costante, ma ad accelerazione costante!

• Newton→ Anche la Luna risente della stessa accelerazione: se l’effetto è uguale, anche la causa deve essere la stessa - la causa che fa girare la Luna sulla sua orbita deve essere la stessa causa che fa cadere i corpi sulla Terra! La Gravità..→ D’un tratto, dopo millenni, non c’è più separazione tra il cielo e la Terra!

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sovvertimento di tutto lo schema mentale del mondo aristotelico, la visione del mondo che era stata dominante fino a quel momento!

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Il mondo di Newton

• Un immenso spazio indifferenziato, uguale a se stesso, dove si muovono particelle che esercitano forze a distanza una sull’altra→ È il mondo di Democrito matematicizzato

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Spazio Tempo ParticelleNewton

• I fenomeni (macroscopici) osservabili in natura sono governati da un una sola altra forza, oltre alla gravità: la forza che oggi chiamiamo elettromagnetica→ Per chiarire il funzionamento di questa forza dobbiamo apportare una modifica importante al mondo di Newton, il concetto di campo

Newton si rendeva conto che dietro l’azione a distanza della forza di gravità ci doveva essere qualcosa d’altro, ma lascia la questione... “alla considerazione dei suoi lettori”

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Il Campo Elettromagnetico

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Fine del XIX secolo• Faraday, Maxwell

→ Non bisogna pensare a forze che agiscono direttamente tra oggetti distanti, bisogna pensare ad un’entità diffusa ovunque nello spazio che viene modificata dai corpi elettrici e magnetici e che, a sua volta, agisce su corpi elettrici e magnetici, il campo elettromagnetico→ Le equazioni di Maxwell

Spazio Tempo ParticelleNewton

Faraday-Maxwell Spazio Tempo ParticelleCampi

• Il mondo è cambiato: non è più fatto di particelle nello spazio, ma di particelle e campi che si muovono nello spazio

due cariche elettriche non si attirano o si respingono direttamente, ma lo fanno attraverso un mezzo che si interpone tra loro

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Le rivoluzioni del XX secolo

Le equazioni di Maxwell determinano una velocità, la velocità della luce nel vuoto, fissa e non superabile, ma la meccanica di Newton non era compatibile con l’esistenza di una velocità fissa, identica in ogni sistema di riferimento

• Einstein, 1905: Relatività Ristretta, concetto di spazio-tempo

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Spazio Tempo ParticelleNewton

Faraday-Maxwell Spazio Tempo ParticelleCampi

Einstein 1905 Spaziotempo ParticelleCampi

qui inizia la vera, grande magia della nuova fisica del XX secolo..

• Einstein, 1915: anche la gravità deve essere esprimibile in forma di campo, il campo gravitazionale → 10 anni per scrivere le sue equazioni - nasce la più bella delle teorie: la Relatività Generale

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La Relatività Generale

• Einstein raccoglie due problemi: come descrivere il campo gravitazionale? Che cos’è lo spazio come pensato da Newton? → Lo spazio di Newton non è nient’altro che il campo gravitazionale, il campo gravitazionale è lo spazio (ma non è fisso alla Newton, si muove, ondeggia, soggetto ad equazioni, come il campo di Maxwell, come le linee di Faraday)

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Spazio Tempo ParticelleNewton

Faraday -Maxwell Spazio Tempo ParticelleCampi

Einstein 1905 Spaziotempo ParticelleCampi

Einstein 1915 ParticelleCampi

→ Il Sole con la sua massa piega lo spazio (in realtà lo spaziotempo) intorno a sè e la Terra non gli gira intorno perchè tirata da una misteriosa forza a distanza, ma perchè corre diritta in uno spazio curvo, come una pallina rotola in un imbuto

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La Meccanica Quantistica• Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Dirac

→ Nell’infinitamente piccolo, la natura non è deterministica ma segue leggi probabilistiche: probabilità che accada un evento, probabilità che una particella sia localizzata in una data regione di spazio→ Non solo le particelle sono diffuse nello spazio come dei campi, ma anche i campi interagiscono come particelle: le nozioni di campo e particella, separate da Faraday e Maxwell, finiscono per ricongiungersi nella meccanica quantistica → Il tutto può essere reso coerente con la relatività ristretta (teoria quantistica dei campi)

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Spazio Tempo ParticelleNewton

Faraday-Maxwell Spazio Tempo ParticelleCampi

Einstein 1905 Spaziotempo ParticelleCampi

Meccanica Quantistica Campi quantisticiSpaziotempo

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Dove siamo adesso: il Modello Standard

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Descritte da una teoria quantistica dei campi che va sotto il nome di Modello Standard

Unificate ad una scala di energia che possiamo raggiungere in laboratorio, ad LHC funzionante

al CERN di Ginevra

Questa unificazione è strettamente connessa alla scoperta del bosone di Higgs avvenuta nel

2012 al CERN

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Dove siamo adesso: il Modello Standard

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ia Previsto dal Modello Standard

Scoperto al CERN nel 2012

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Problemi aperti: il futuro

• Il campo gravitazionale non è incluso nel Modello Standard → manca una descrizione quantistica della gravità

• Asimmetria materia-antimateria• Dark matter, dark energy• Massa dei neutrini• Etc. etc. http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsolved_problems_in_physics

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LHC 10-12s