Dal Big Bang al microcosmo: alla ricerca delle leggi di Natura - Michelangelo Mangano
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Dal Big Bang al microcosmo:
alla ricerca delle leggi di Natura
Michelangelo Mangano
Divisione di Fisica Teorica
CERN
(Centro Europeo di Fisica delle Particelle)
Ginevra
Le questioni che affronta la fisica
moderna sono le stesse che hanno
guidato lo sviluppo del pensiero
filosofico nel corso dei millenni
Quali sono i
Come funziona
componenti ultimi
l’Universo? della materia?
Da dove viene?
Come “si muovono”?
Dove va?
Che cosa “li muove”?
La piú ambiziosa fra tutte le scienze!
Anche il modo di affrontare il problema usato dai
filosofi antichi è simile a quello del fisico moderno:
identificare pochi principi fondamentali, dai quali
derivare le proprietà di tutti i fenomeni naturali, sia
quelli pertinenti al macro cosmo (il cielo, l’universo),
che quelli pertinenti alla scala umana
Ciò che è cambiato nel corso dei secoli è la percezione della
vera complessità dei fenomeni, la capacità di eseguire
misure quantitative, ed i criteri epistemologici di
adeguatezza della loro descrizione
In comune, l’identificazione di due categorie:
(a) I componenti della materia
(b) Le forze che ne governano il comportamento
Esempio
Componenti: Forze:
aria, acqua, fuoco terra - aria e fuoco spinti verso l’alto
- acqua e terra spinti verso il basso
Valutazione di correttezza:
come mai un tronco di legno immerso a fondo
nell’acqua viene a galla, spinto verso l’alto?
Rivalutazione della teoria (Principio di Archimede):
- tutta la materia viene spinta verso il basso, ma con intensità
proporzionale al proprio peso:
Un corpo immerso ne!’acqua riceve una spinta verso l’alto pari al
peso de!’acqua spostata.
L’aria è più leggera della terra, dunque su di essa galleggia.
L’aria calda è più leggera di quella fredda, dunque il fuoco è
spinto dall’aria fredda che lo circonda verso l’alto.
Il grande successo della fisica moderna consiste nella
sua incredibilmente accurata descrizione dei
fenomeni osservati, su tutte le scale
• descrizione unificata della molteplicità dei fenomeni fisici
osservati
• non c’è garanzia a priori che esista un modello della
Natura consistente con un numero limitato di principî, o
che questi si applichino ovunque (per es. la conservazione di E
è stata messa in dubbio dalle prime osservazioni dei decadimenti
beta). Trovare un tale modello è stato il maggior successo
della fisica del XX secolo
• i principi fondamentali non specificano né richiedono
l’esistenza dell’elettromagnetismo, della radioattività,
dell’elettrone, delle forze gravitazionali, etc.
• lo scopo principale non è solo di descrivere i fenomeni, ma
di spiegarne l’esistenza, eventualmente identificando nuovi
principi fondamentali (per es. l’esistenza di una distanza minima)
Livello 0: come? cosa?
Esistono mattoni fondamentali?
Se sì, cosa sono?
Come interagiscono?
Come determinano le proprietà
dell’Universo?
Livello 1: perché? Perché esistono mattoni fondamentali? Perché interagiscono così? Perché viviamo in 3+1 dimensioni? Esistono alternative? ……. Perché qualcosa invece che niente?
Risultati principali Semplicita’ (dei costituenti, delle interazioni): la complessita’ emerge dalla varieta’ delle combinazioni Unita’ (delle leggi di interazione): le varie forze fondamentali hanno tutte la stessa struttura Unicita’ (degli elementi): tutti protoni sono uguali: un protone è un protone è un protone Unicita’ (delle leggi fondamentali): indipendenza dal luogo, dal tempo e dalle condizioni
Proprietà delle interazioni • Causalità (l’effetto segue la causa, e non puo’ manifestarsi prima del tempo impiegato dalla luce a percorrere la distanza fra effetto e causa) • Località (proprieta’ dell’interazione dipendono solo dalle properieta’ dei partecipanti in un punto) • Universalità (l’interazione fra due particelle fattorizza in termini delle proprieta’ indipendenti delle singole particelle)
Rappresentazione delle interazioni
t
Località,
fattorizzazioneSemplice ... ma sottile! W. Heisenberg
Prima:
Dopo: +
Energia(dopo) ≠ Energia(prima)
La meccanica quantistica risolve questa impasse:
Principio di Indeterminazione:
una misura di energia
effettuata in un tempo
breve ∆t può al più ∆t < 1/∆E
raggiungere una
precisione ∆E ≥ 1/∆tTroviamo tracce della MQ, ed applicazioni del principio
di indeterminazione, ovunque attorno a noi
• Stabilità della materia
• Struttura della materia, reazioni chimiche
• Funzionamento di semiconduttori e circuiti integrati
• Superconduttività
• Funzionamento del soleStrumento principale nella ricerca 2 dei componenti fondamentali: E=mc
Il piccolo ed il grande si
mescolano anche nella
tecnologia necessaria per
esplorare le leggi della
fisica!
L’esperimento ALEPH
all’acceleratore LEP
del CERN
(parti del quale sono
state construite dai
fisici dell’ Università di
Bari)L’esperimento ATLAS, in construzione per
l’acceleratore LHC del CERN
(pronto nel 2007, 1800 fisici, oltre 100 Istituti)
Col contributo
dei fisici
dell’Università
di LecceI mattoni fondamentali (2004 D.C.)
La struttura puntiforme di queste particelle è stata verificata
-15
sperimentalmente fino a dimensioni dell’ordine di 10 cm
(0.000000000000001 cm)!!Le forze fondamentali (2004 D.C)
Forza nucleare nucleo atomico
Elettromagnetismo
Forza debole radioattività
GravitàEsempio: la radioattivita’
NZ→NZ+1 e
NZ NZ+1
p p p p
n n n n
p n n n n p
p p p p
n u u n
n n
n d d p
d u
e-
W-
νeoggi, 13 miliardi di
anni dopo in BigBang
1 miliardo di anni, si
formano le prime galassie
300,000 anni, la luce
prodotta si propaga senza
assobrimento
3 minuti: si formano i
nuclei leggeri (D, He, Li, B)
1 sec: i quarks formano
protoni e neutroniEspansione dell’Universo
Età dell’Universo
A A
A
B B B
C C C
Legge di Hubble:
La velocità di allontanamento fra due punti nell’Universo è
proporzionale alla distanza che li separaLa misura della velocita’ di allontanamento:
l’effetto Doppler
Suono: acuto→basso
Luce: blu→ rosso
La misura del colore di stelle di proprietà note ci da una
misura della loro velocità di allontanamento da noiLa misura della distanza: Supernovæ
L’intensità della luminosità
ricevuta da stelle la cui brillanza
assoluta è nota a priori, offre
una stima della loro distanza
Tali “candele ideali” sono offerte dalle Supernovæ di tipo Ia, il
risultato di esplosioni catastrofiche che seguono
all’esaurimento del carburante in stelle massiccie.
Per tali stelle, esiste una relazione
precisa fra la loro luminosità
assoluta, e la variazione della
luminosità nel periodo successivo
all’esplosione:Immagini di tre delle supernove più distanti note, scoperte dall’ Hubble Space Telescope. Le supernove esplosero circa 6 miliardi di anni fa, dunque prima che il sistema solare si formasse! La loro immagine, tuttavia, viaggiando nello spazio e nel tempo ci raggiunge solo ora (e non dura che pochi giorni!!).
La misura contemporanea di velocità e distanza, per galassie a distanze
diverse molto lontane nel passato, permette di misurare il tasso di
Expansion History
accelerazione of the Universe
dell’Universo, e di predirne l’evoluzione futura!
Perlmutter, Physics Today (2003) n ds
x pa ver
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0.0001
0.001
fo s
0.01
relative
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1.5 brightness ll a
co
Scale of thedell’Universo,
Scale
Universe
ad oggi
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dimensioni
redshift
After inflation, 0.5
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the expansion either... d 0.75
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s 0.0 past today future
0.0
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–20 –10 0 10
miliardi di anni rispetto ad oggiUn’altra finestra sull’Universo primordiale: la
radiazione cosmica di fondo
Fossile delle fluttuazioni
quantistiche 10-24
secondi dopo il Big Bang,
congelate dopo
l’inflazione e manifeste
nelle fluttuazioni di
temperatura nell’UniversoWMAP satellite
Le variazioni
di colore
rappresentano
differenze di
temperaturaDi cosa è veramente fatto l’Universo?
Osservazione diretta della Vincoli ottenuti dalle misure di
composizione delle stelle supernovae, della radiazione di
fondo, e dei moti delle galassie
Supernovae
Radiazione
cosmica di fondoÈ stato ormai tutto compreso?
Evidentemente no!
Che cosa compone la materia oscura? ⇒ risposte
dall’LHC!?
Qual è la natura dell’energia oscura?
Qual’e` la vera origine della massa e perchè le
particelle hanno le masse che hanno?
Perche’ 3 famiglie di quarks e leptoni?
Perche’ Fgravita ~ 10-40 Felettrica ?
Sono le particelle veramente puntiformi? Stringhe??
Membrane?
Perche’ D=3+1?
E’ la gravita’ consistente con la MQ?
Come e’ veramente avvenuto il Big Bang?
etcetcetcCONCLUSIONI
Siamo, e probabilmente resteremo sempre, solo all’inizio:
è come il gioco dell’oca!
Ma la ricerca delle cause ultime dell’Universo deve
continuare, sia perchè appartiene più di ogni altra cosa alla
nostra eredità culturale, sia per le implicazioni della ricerca
fondamentale per il progresso della società
"Abbiamo organizzato una civilizzazione globale i cui elementi più cruciali
dipendono in maniera essenziale dalla scienza e dalla tecnologia. Abbiamo anche
organizzato le cose in modo tale che quasi nessuno, ormai, capisce la scienza e
la tecnologia. Questa è una ricetta disastrosa. Potremo cavarcela per un pó,
ma prima o poi questa miscela esplosiva di ignoranza e potenza rischia di
scoppiarci in faccia ...”
Carl SaganPuoi anche leggere
