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LIBERA UNIVERSITA’ PER ADULTI - Cervia - 14 novembre 2013
“Una chiacchierata sulla Fisica a modo mio”Lino Nori
UN IMPULSO CHE ACCOMPAGNA DA SEMPRE L’UMANITA’
La curiosità di osservare il mondo
per capirlo e modificarlo
Un mito è una narrazione relativa alle origini
del mondo o alle modalità con cui il mondo
stesso ha raggiunto la forma presente.
Di solito i suoi protagonisti sono dei ed eroi che
si muovono in un contesto sacrale
IL VIAGGIO DELLA CONOSCENZA IL MITO
Orfeo ed Euridice
Zeus ed Europa
Il mito diventa quindi un modo per
conoscere e ordinare la realtà.
Aristotele
La scuola di Atene - Raffaello
IL VIAGGIO DELLA CONOSCENZA LA FILOSOFIA
Con i primi pensatori greci assistiamo alla
comparsa, per la prima volta, di un metodo di
pensiero improntato all'uso della ragione,
dell'argomentazione: è la nascita della filosofia.
Essi cercavano un sapere immutabile
nel tempo, assoluto e indubitabile.
IL VIAGGIO DELLA CONOSCENZA IL METODO SCIENTIFICO
Galileo
Newton
Il metodo scientifico è la modalità con cui la scienza
procede per raggiungere una conoscenza della realtà
oggettiva, affidabile, verificabile e condivisibile.
Esso consiste, da una parte, nella raccolta di evidenze
empiriche attraverso l'osservazione e l'esperimento;
dall'altra, nella formulazione di ipotesi e teorie da
sottoporre al vaglio dell'esperimento per testarne l'efficacia.
IL METODO SCIENTIFICO LE FASI
1 - Osservazione, Esperimenti, Ipotesi
2 - Modelli fisico / matematici, Teorie, Previsioni
3 - Verifica delle Previsioni
IL METODO SCIENTIFICO PREVISIONI E VERIFICHE
Una Teoria scientifica è dunque un
modello che fa previsioni.
Le Teorie vengono continuamente
sottoposte a verifica per essere, a
seconda dei casi, confermate,
modificate, abbandonate.
Gli esperimenti empirici non possono mai verificare
definitivamente una Teoria, possono al massimo smentirla.
Il pendolo di Newton in funzione
NEWTON LE LEGGI DEL MOTO E DELLA GRAVITAZIONE UNIVERSALE
pubblicato per la prima volta il 5 luglio 1687
PRINCIPIA MATHEMATICA: CONTENUTI
Secondo principio della dinamica (variazione del moto): Il cambiamento di moto (accelerazione) di un corpo (massa) è proporzionale alla forza impressa e avviene secondo la linea retta lungo la quale la forza è applicata
Primo principio della dinamica (di inerzia): Ogni corpo persevera nello stato di quiete o di moto rettilineo uniforme, a meno che non sia costretto a cambiare da forze impresse a mutare questo stato
Terzo principio della dinamica (di azione e reazione): A ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria
Legge di gravitazione universale: Nell'universo ogni punto materiale attrae ogni altro punto materiale con una forza che è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza
LA GRAVITA’ SULLA TERRA LA FORZA PESO
La Forza Peso agente su un corpo è la forza che il campo gravitazionale esercita su una massa verso il centro della Terra.La forza peso è generalmente espressa attraverso la seconda legge della dinamica, ovvero:
dove g è l'accelerazione gravitazionale.
TEORIA DI NEWTONSUCCESSI E LIMITI
Viene spiegato il moto dei corpi celesti e ciò che lo determina.
Le leggi della dinamica consentono di prevedere esattamente l’ evoluzione di un sistema conoscendone lo stato attuale e le forze applicate.
Nella Teoria di Newton gli avvenimenti si svolgono su un palcoscenico immutabile (spazio assoluto) in cui il tempo scorre uguale per tutti (si rivelerà non esatto).
Le equazioni di Newton sono reversibili rispetto al tempo mentre noi ne percepiamo solo lo scorrere « in avanti»(verrà spiegato successivamente).
I successi conseguiti diffusero comunque un enorme ottimismo facendo credere che si era trovata la strada
PER SPIEGARE TUTTO
Sadi Carnot Rudolf Clausius J.P. Joule Lord Kelvin
CALORE E LAVORO LA TERMODINAMICA
La temperatura ( T ) è la proprietà fisica che indica lo stato termico di un sistema. La differenza di temperatura tra due sistemi determina un flusso di calore in direzione del sistema più freddo, raggiungendo l'equilibrio termico.
Il calore ( Q ) è l’ energia che viene scambiata fra due sistemi a diversa temperatura o nei cambiamenti di fase (solida, liquida, gassosa).
Il lavoro ( L ) è l’energia che viene scambiata a seguito di una modifica della configurazione, o della forma di un sistema.
La termodinamica si occupa delle varie forme di energia e
della loro interconversione.
PRODUZIONE DI LAVORO
FLUSSO DI CALORE
Una macchina termica è un dispositivo fisico che converte il calore fornito da una sorgente esterna in lavoro. Sono tipiche macchine termiche i motori a gasolio e benzina, quelli a vapore o a reazione, etc.
Il primo principio riguarda la conservazione dell'energia: in ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro. Non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia
Il secondo principio può essere formulato in diversi modi, ma, sostanzialmente afferma che è impossibile realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%.
BOLTZMANNLA MECCANICA STATISTICA
L. Boltzmann
Nei solidi le particelle costituenti possono solo oscillare intorno a
posizioni fisse, nei liquidi e nei gas acquistano una libertà di
movimento via via maggiore: sono cioè animate da un moto
caotico, detto moto di Agitazione Termica.
L’ AGITAZIONE TERMICA
SIGNIFICATO FISICO DELLA TEMPERATURA
La temperatura di un corpo rappresenta l'indice del grado di
agitazione delle sue particelle costituenti ed è direttamente
correlata alla velocità media, e quindi all'energia cinetica
media, di queste ultime.
Stato A: gas caldo (rosso) e gas freddo (blu) separati.
Stato B: gas caldo e gas freddo mescolati (alla stessa temperatura).
SIGNIFICATO FISICO DELLO SCAMBIO DI CALORE
Togliendo la barriera una parte dell'energia posseduta dalle particelle del corpo a temperatura maggiore (più veloci) verrà trasferita a quelle del corpo a temperatura minore (più lente):
l’energia trasferita rappresenta il calore scambiato
REVERSIBILITA’ ED IRREVERSIBILITA’
Gli scambi termici sono determinati in definitiva da urti di particelle in movimento. Tali movimenti possono essere descritti dalle leggi di Newton.
Tuttavia le equazioni di Newton sono reversibili rispetto al tempo mentre gli scambi di calore avvengono solo in una direzione (da un corpo caldo ad uno freddo) e mai viceversa.
Nello stesso modo due corpi a diversa temperatura, messi a contatto, raggiungono la stessa temperatura e non avviene mai l’ inverso.
TEMPO
DIREZIONE DEI FENOMENI
ORDINE E DISORDINE
Stato disordinato 6 possibilità
Stato ordinato 2 possibilità
PROBABILITA’
In natura tutte le trasformazioni spontanee vanno nel senso
di un maggiore disordine
La ragione di ciò è nella probabilità: gli
stati disordinati di un sistema fisico
sono enormemente più numerosi di
quelli ordinati e pertanto sono quelli
che in pratica si verificano
J. K. Maxwell
MAXWELL L’ ELETTROMAGNETISMO
Una carica elettrica genera attorno a sé un campo elettrico, nel senso che modifica le proprietà dello spazio circostante in modo che un’ altra carica posta nelle vicinanze viene sollecitata da una forza di natura elettrica.
Un magnete modifica lo spazio circostante generando un campo magnetico che può facilmente essere visualizzato disponendo nelle vicinanze del magnete della limatura di ferro.
CAMPI ELETTRICI E MAGNETICI
LE EQUAZIONI DI MAXWELL
La prima equazione dice in che modo un campo elettrico dovuto a cariche elettriche varia con la distanza e la densità di carica.
La quarta equazione descrive l'inverso: in che modo un campo elettrico variabile (o una corrente elettrica) induca un campo magnetico.
La terza equazione ci dice in che modo un campo magnetico variabile induca un campo elettrico.
La seconda equazione ci dice che nel magnetismo non c'è una proporzione paragonabile alla prima, in quanto le "cariche" magnetiche (o "monopoli" magnetici) non esistono:
LE ONDE ELETTROMAGNETICHE
Scritte così le equazioni, Maxwell riuscì a mostrare facilmente che E e B si propagano nello spazio vuoto come se fossero onde.
Maxwell calcolò anche la velocità c delle onde elettromagnetiche nel vuoto:
ε0 e μ0 (rispettivamente le costante dielettrica e la permeabilità magnetica del vuoto) sono due costanti dal valore noto.
La luce risulta pertanto essere composta da onde elettromagnetiche
Introducendo i valori per μ0ε0, Maxwell trovò che la velocità a cui il campo elettrico e il campo magnetico dovrebbero propagarsi nel vuoto era la stessa già misurata per la luce!
I sistemi di riferimento in stato di quiete o di moto rettilineo uniforme sono detti inerziali.
Definire un sistema inerziale in quiete assoluta è un problema. Newton lo individuava come lo “spazio assoluto”.
Per poter descrivere qualsiasi fenomeno fisico sotto forma di legge è necessario avere un sistema di riferimento.
SISTEMI DI RIFERIMENTO
PRINCIPIO DI RELATIVITA’ GALILEIANA
Le leggi della meccanica sono le stesse in tutti i sistemi di
riferimento inerziali, qualunque sia la velocità (costante) con cui
essi si muovono gli uni rispetto agli altri.
Per passare da un sistema all’
altro si deve soltanto tenere
conto del fatto che le velocità si
sommano.
(composizione delle velocità)
Velocità della luce in scala: Dalla terra alla luna, 384 400 km, circa 1,28 secondi
LA VELOCITA’ DELLA LUCE E’ STRANA
La velocità della luce è una costante fisica indipendente dal sistema di riferimento, dall'osservatore o dalla velocità dell'oggetto che emette la radiazione.
Per essa NON VALE LA COMPOSIZIONE DELLE VELOCITÀ
perché tutti gli osservatori, in quiete o in moto uniforme,
la vedono nello stesso modo.
Esperimenti accurati hanno confermato questo dato.
UNA SCELTA DRAMMATICA
Einstein si "limitò" ad accettare come un dato di fatto che la luce
si muove sempre alla stessa velocità in qualunque sistema di
riferimento senza rinunciare al principio di relatività.
La scelta tra rinunciare alla Teoria di Newton o alle equazioni
di Maxwell era considerata drammatica ed i fisici dell’ epoca
cercavano in ogni modo di evitarla.
Questo crea un contrasto insanabile con il principio di relatività
galileiana, mettendo a rischio le basi della fisica di Newton.
L’ IPOTESI DI EINSTEIN
I postulati di relatività di Einstein:
1. Le leggi della fisica hanno la stessa forma in tutti i sistemi di riferimento inerziali;
2. La luce ha una velocità finita sempre uguale in tutti i sistemi di riferimento inerziali.
La composizione delle velocità tra due sistemi in movimento reciproco non avviene con una semplice somma.
Bisogna mettere in discussione lo spazio ed il tempo assoluti
Cosa vede e misura l’osservatore A sull’auto
Cosa vede e misura l’osservatore B fermo a terra
MISURE DIVERSE DELLO STESSO FENOMENO
CONSEGUENZE DEI POSTULATI DI EINSTEIN
La massa di un oggetto cresce al crescere della sua velocità. L’energia e la massa sono grandezze equivalenti, legate numericamente dalla costante c al quadrato:
E = m c2
Un oggetto in moto appare più corto nella direzione del suo moto
La durata di un fenomeno visto in movimento è maggiore della durata del fenomeno visto in un sistema di riferimento fermo rispetto ad esso
LA RELATIVITA’ GENERALE
Einstein riteneva che tutti i sistemi di riferimento dovessero essere equivalenti per quanto riguarda la formulazione delle leggi fisiche.Per di più la teoria della relatività ristretta era in contraddizione con la teoria della gravitazione universale di Newton.
Per incorporare i sistemi di riferimento non inerziali e la legge di gravitazione, Einstein formulò il principio di equivalenza, che stabilisce che non è possibile distinguere tra i fenomeni osservati in un campo gravitazionale uniforme e quelli osservati in un sistema con accelerazione costante
LO SPAZIO - TEMPO
Lo spazio-tempo è un concetto
fisico che combina le nostre
classiche nozioni tradizionalmente
distinte di spazio e di tempo in un
solo costrutto unico e omogeneo.
EFFETTI DELLA RELATIVITA’ GENERALE
La teoria afferma che lo spazio-tempo viene curvato dalla presenza di una massa; un'altra massa si muove allora come effetto di tale curvatura ed il tempo rallenta
Anche la luce è soggetta alla curvatura dello spazio-tempo, e può venire deflessa in corrispondenza di un campo gravitazionale.
LA MECCANICA QUANTISTICAE IL MONDO MICROSCOPICO
Max Planck ed Albert Einstein compresero per primi che l’ accordo con gli esperimenti si poteva trovare solo se l'energia delle onde elettromagnetiche potesse assumere solo valori discontinui.
La meccanica classica si dimostrò presto incapace di descrivere il comportamento della materia e della radiazione elettromagnetica a livello microscopico, a scale di lunghezza dell'ordine di quelle dell'atomo o ad energie nella scala delle interazioni interatomiche.
DIFFICOLTA’ DELLA MECCANICA CLASSICA
L’ energia insomma si
presenta sotto forma di
«pacchetti» detti Quanti da
cui il nome della teoria.
L’ energia di ogni Quanto è
proporzionale alla frequenza
dell’ onda.
I QUANTI
IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE DI HEISENBERG
Il principio esprime l'impossibilità di determinare contemporaneamente con errore minimo a piacere alcune coppie di quantità fisiche come la posizione e la quantità di moto di una particella elementare.
Tanto migliore è la precisione della misura di una delle due grandezze, tanto peggiora la precisione ottenibile nella misura dell’ altra. Il prodotto delle due incertezze non può essere inferiore ad una quantità definita.
Werner Heisemberg
L’EQUAZIONE DI SCHROEDINGER
Gli approcci di Heisenberg e Schroedinger sono equivalenti
e perfettamente in accordo con gli esperimenti !!!!!
In meccanica quantistica lo stato di una particella è descritto (nella rappresentazione di Schroedinger) da una funzione d'onda che rappresenta la probabilità di trovare la particella in una data posizione.
PARTICELLE E FORZE
Esistono delle particelle (dette Fermioni) che sono i costituenti fondamentali delle materia
Esistono altre particelle (dette Bosoni), che vengono emesse ed assorbite dai Fermioni e che risultano essere le particelle mediatrici delle forze
Tutta la materia ordinaria che osserviamo è costituita da particelle elementari che interagiscono tramite quattro forze fondamentali
LE PARTICELLE
LE QUATTRO FORZE
In natura esistono quattro interazioni fondamentali (forze), che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo.
Queste sono l'interazione elettromagnetica, l'interazione forte, l'interazione debole e l'interazione gravitazionale
Le forze sono il risultato dello
scambio di particolari particelle
che vengono emesse e riassorbite
dalle particelle interagenti
GRAVITA’ ED ELETTROMAGNETISMO
La forza gravitazionale è comune a tutta la materia: tutti i corpi materiali si attirano reciprocamente. E’ enormemente più debole di tutte le altre ed ha raggio d’azione infinitoParticella mediatrice: gravitone
La forza elettromagnetica si manifesta tra tutte le particelle dotate di carica elettrica: essa è sia attrattiva che repulsiva ed ha raggio d’azione infinito. Particella mediatrice: fotone
FORZA FORTE E FORZA DEBOLE
La forza debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione. Si esercita tra tutte le particelle ed ha raggio d’azione estremamente piccolo. Particelle mediatrici: bosoni W e Z
La forza forte si manifesta tra i quark, è attrattiva ed ha raggio d’azione estremamente piccolo, sufficiente per garantire l'integrità dei nuclei atomici.E’ cento volte più intensa della forza elettromagnetica.Particella mediatrice: gluone
IL BOSONE DI HIGGS
Fabiola Giannotti
Il bosone di Higgs e' una particella elementare che appartiene alla famiglia che comprende anche i fotoni, i bosoni W e Z (la cui scoperta valse a Carlo Rubbia il Nobel per la Fisica nell''84), il gluone e il gravitone.
La sua importanza è quella di essere portatore di forza del campo di Higgs, che secondo la teoria permea l'universo conferendo la massa alle particelle elementari.Teorizzato nel 1964, il bosone di Higgs è stato osservato per la prima volta nel 2012, negli esperimenti ATLAS e CMS condotti al CERN di Ginevra
SUCCESSI E LIMITI DELLA M. Q.
Rimangono comunque questioni aperte:
- non comprende la gravità; - alcune affermazioni si prestano ad interpretazioni differenti;
- in certi casi è violato il principio di località (entanglemet);
- spiega molti «come» ma meno «perché».
Lascia comunque la sensazione che ci sia qualcosa di più profondo da scoprire, dando adito anche ad interpretazioni «estemporanee»
La M. Q. è una teoria di grande successo perché descrive con una precisione strabiliante un gran numero di fenomeni diventando uno strumento indispensabile
OLTRE LA RELATIVITA’ E LA MECCANICA QUANTISTICA
La Relatività e la Meccanica Quantistica offrono una spiegazione molto precisa per un numero enorme di fenomeni, tuttavia
non sono compatibili tra loro!!!!
E’ sperabile che emerga una visione unitaria in grado, tra l’altro di:
- descrivere correttamente la gravità; - definire le proprietà di spazio e tempo; - indagare meglio i primi istanti dell’ Universo; - spiegare materia ed energia oscure (95% dell’Universo); - esprimere una visione unitaria.
E’ difficile oggi formulare una teoria generale in quanto le conoscenze che bisogna possedere sono vastissime e la verifica sperimentale praticamente impossibile per le alte energie richieste.
Avremo comunque assieme a nuove risposte nuove domande perché……
IL VIAGGIO
CONTINUA…
