Transcript Lezioni di Fisica di Lino Nori

“Una chiacchierata sulla Fisica a modo mio”
Lino Nori
LIBERA UNIVERSITA’ PER ADULTI - Cervia - 14 novembre 2013
UN IMPULSO CHE ACCOMPAGNA
DA SEMPRE L’UMANITA’
La curiosità di osservare il mondo
per capirlo e modificarlo
IL VIAGGIO DELLA CONOSCENZA
IL MITO
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
Orfeo ed Euridice
Il mito diventa quindi un modo per
conoscere e ordinare la realtà.
Zeus ed Europa
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.
Aristotele
Essi cercavano un sapere immutabile
nel tempo, assoluto e indubitabile.
La scuola di Atene - Raffaello
IL VIAGGIO DELLA CONOSCENZA
IL METODO SCIENTIFICO
Il metodo scientifico è la modalità con cui la scienza
procede per raggiungere una conoscenza della realtà
oggettiva, affidabile, verificabile e condivisibile.
Galileo
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.
Newton
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.
NEWTON
LE LEGGI DEL MOTO E DELLA GRAVITAZIONE UNIVERSALE
Il pendolo di Newton in funzione
pubblicato per la prima volta il 5 luglio 1687
PRINCIPIA MATHEMATICA: CONTENUTI
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
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
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 NEWTON
SUCCESSI 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
CALORE E LAVORO
LA TERMODINAMICA
Sadi Carnot
Rudolf Clausius
J.P. Joule
Lord Kelvin
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.
FLUSSO DI CALORE
PRODUZIONE DI LAVORO
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%.
BOLTZMANN
LA MECCANICA STATISTICA
L. Boltzmann
L’ AGITAZIONE TERMICA
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.
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.
SIGNIFICATO FISICO
DELLO SCAMBIO DI CALORE
Stato A: gas caldo (rosso) e gas freddo
(blu) separati.
Stato B: gas caldo e gas freddo
mescolati (alla stessa temperatura).
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 ordinato
2 possibilità
Stato disordinato
6 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
MAXWELL
L’ ELETTROMAGNETISMO
J. K. Maxwell
CAMPI ELETTRICI E MAGNETICI
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.
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 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:
La terza equazione ci dice in che modo un campo
magnetico variabile induca un campo elettrico.
La quarta equazione descrive l'inverso: in che
modo un campo elettrico variabile (o una
corrente elettrica) induca un campo magnetico.
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.
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!
La luce risulta pertanto essere composta da onde
elettromagnetiche
FENOMENI LEGATI ALLE ONDE ELETTROMAGNETICHE
LO SPETTRO COMPLETO
INTERVALLO
EINSTEIN
LA RELATIVITA’
Albert Einstein
SISTEMI DI RIFERIMENTO
Per poter descrivere qualsiasi
fenomeno fisico sotto forma di
legge è necessario avere un
sistema di riferimento.
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”.
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)
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.
Velocità della luce in scala: Dalla terra alla luna, 384 400 km, circa 1,28 secondi
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
Questo crea un contrasto insanabile con il principio di relatività
galileiana, mettendo a rischio le basi della fisica di Newton.
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.
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.
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
MISURE DIVERSE DELLO STESSO FENOMENO
Cosa vede e misura
l’osservatore A
sull’auto
Cosa vede e misura
l’osservatore B
fermo a terra
CONSEGUENZE DEI POSTULATI DI EINSTEIN
La durata di un fenomeno visto in
movimento è maggiore della durata del
fenomeno visto in un sistema di riferimento
fermo rispetto ad esso
Un oggetto in moto appare più corto nella
direzione del suo moto
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
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
classiche
combina
nozioni
le
nostre
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 QUANTISTICA
E IL MONDO MICROSCOPICO
DIFFICOLTA’ DELLA MECCANICA CLASSICA
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.
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.
I QUANTI
L’
energia
presenta
sotto
insomma
si
forma
di
«pacchetti» detti Quanti da
cui il nome della teoria.
L’ energia di ogni Quanto è
proporzionale alla frequenza
dell’ onda.
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.
Werner Heisemberg
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.
L’EQUAZIONE DI SCHROEDINGER
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.
Gli approcci di Heisenberg e Schroedinger sono equivalenti
e perfettamente in accordo con gli esperimenti !!!!!
PARTICELLE E FORZE
Tutta la materia ordinaria che osserviamo è costituita da particelle
elementari che interagiscono tramite quattro forze fondamentali
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
LE PARTICELLE
I QUARK
L’ ELETTRONE ED I I LEPTONI
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 infinito
Particella 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 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
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
IL BOSONE DI HIGGS
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.
Fabiola Giannotti
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.
La M. Q. è una teoria di grande successo perché descrive con una
precisione strabiliante un gran numero di fenomeni diventando
uno strumento indispensabile
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»
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…
GRAZIE PER L’ATTENZIONE