Nascita della fisica moderna - Enrico Predazzi Professore emerito di fisica teorica all'Università di Torino - Accademia delle Scienze
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
Nascita della fisica moderna
Enrico Predazzi
Professore emerito di fisica teorica all’Università di Torino
Accademia delle Scienze di Torino
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019
Premesse
• La fisica moderna nasce negli stessi anni in cui si raggiunge
l’unità d’Italia ma non sarà dall’Italia che verrà il contributo
maggiore (anche se non possiamo dimenticare il premio Nobel
Guglielmo Marconi e, nella fisica applicata, Galileo Ferraris)
• Dopo Galvani, Volta e soprattutto Avogadro, per trovare un
fisico italiano di caratura internazionale dovremo aspettare il
primo Novecento con Enrico Fermi
• Ma la nascita della fisica moderna è opera principalmente
inglese e tedesca (anche se con contributi importanti di fisici di
molti altri paesi, Francia, Danimarca ecc.) e della matematica
italiana
• Sorgeranno due filoni tuttora validissimi e vivacissimi, la
Meccanica Quantistica e la Relatività
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019
• C’è una lunga incubazione per entrambe (esattamente di 41
anni) da quando vengono messe le premesse a quando queste
si realizzano
• Nel 1859 Gustav Kirchhoff enuncia un teorema fondamentale
che Planck troverà “entusiasmante”
• Verranno molti contributi importanti nell’Ottocento da parte
di molti fisici, Stefan, Boltzmann, Wien e molti altri
• Sarà però solo 41 anni dopo che Max Planck (che era nato nel
1858, un anno prima del fatidico anno 1859 ricordato sopra)
scoprirà la legge della distribuzione che porta il suo nome).
• 1900 nascita dei Quanti che prelude a quella della Meccanica
Quantistica
• Per il suo sviluppo completo ci vorranno 26 anni (ma oggi,
cento anni più tardi, è più attiva e vivace che mai)
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019
Fatidico 1859 Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019
• Il 1859 è, complessivamente, un anno fantastico per la scienza
nel suo complesso perché, oltre al teorema di Kirchhoff:
• 1) il 24 Novembre esce il libro di Charles Darwin “L’origine delle
specie per mezzo della selezione naturale” da cui nascerà la
biologia moderna
• 2) in matematica, Bernhard Riemann enuncia la sua famosa
congettura sui numeri primi (che Sir Michael Atiyah dice di aver
appena dimostrato ma io non ne ho trovato conferma)
• 3) in astronomia, Urbain le Verrier che, su base unicamente
matematica aveva predetto l’esistenza del pianeta Nettuno
(trovato da Gale con meno dell’1% di scarto dalla previsione),
manda una lettera alla Académie des Sciences di Parigi in cui
propone che un nuovo pianeta (chiamato Vulcano) spieghi
l’anomalia del perielio di Mercurio. Questo pianeta non verrà
trovato e la spiegazione vera la darà Einstein 60 anni dopo.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Il teorema di Kirchhoff
• Afferma che l’emissione di un corpo e in particolare di un
corpo nero (definito come un corpo che assorbe tutta la
radiazione elettromagnetica senza alcuna riflessione)
dipende solo dalla temperatura e dalle frequenza della
radiazione stessa e non dalla struttura interna del corpo.
• La dimostrazione è banale: se ciò non fosse, sarebbe possibile
far passare calore da un corpo ad un altro alla stessa
temperatura e si potrebbe realizzare un moto perpetuo del
secondo tipo (in cui, cioè, una macchina sarebbe in grado di
estrarre calore da una sola sorgente a temperatura costante
per trasformarlo in lavoro)
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Avvengono molte cose nella seconda metà
dell’Ottocento in questo contesto
• Legge di Stefan Boltzmann (irraggiamento proporzionale a T4 )
• il teorema di Wien, irraggiamento J(ν,T) ∝ ν³ f(ν/T)
• la legge di Wien, per grandi ν J(ν/T) ∝ e-αν/T
• per piccoli ν la legge classica di Rayleigh Jeans J(ν/T) ∝ ν2
• Manca però la legge che riproduca i dati sperimentali
dell’irraggiamento su tutto lo spettro di frequenze
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• LA SECONDA INCUBAZIONE
• Anche la seconda incubazione sarà esattamente di 41 anni.
• Nel 1864 il fisico scozzese James Clerk Maxwell mostra che tutti
fenomeni di elettricità e magnetismo studiati da Faraday,
Oersted, Ampère ecc. vengono descritti dalle equazioni che
prendono il suo nome.
• Nasce l’elettromagnetismo, unificazione di elettricità e di
magnetismo, prototipo e antesignano di tutte le unificazioni
che verranno proposte nel Novecento e su cui torneremo.
• La cosa ancor oggi poco apprezzata, è che le equazioni di
Maxwell sono già relativistiche.
• Pensare a neutrini superluminali è non soltanto buttare via la
relatività ma anche l’elettromagnetismo. Un’assurdità.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Come per Planck, passeranno esattamente 41 anni prima
che le conseguenze del lavoro di Maxwell si tramutino nella
relatività (ristretta prima e generale poi) proposta nel 1905
da Einstein.
• Fra le molte cose in più, rispetto a Maxwell, Einstein fa
anche a meno dell’etere che, ricordiamolo, era un retaggio
dell’antichità. Era stato Aristotele a proporlo come quinto
elemento (quintessenza) oltre a terra, acqua, fuoco e aria.
• E c’è chi sostiene che la recente scoperta che l’espansione
dell’Universo accelera, sia evidenza di una nuova versione
della quintessenza.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Ma se la fine dell’Ottocento è da un lato pirotecnica per
tutte le scoperte che si susseguono dall’altro, invece, è vista
e trattata come la fine della fisica da alcuni dei maggiori
fisici del momento; se le due cose sono correlate, non
capisco né come né perché.
• D’altra parte, già nel 1874 il mentore di Planck a Monaco,
Phillip von Jolly, gli sconsigliava di fare fisica “perché era
una disciplina in cui tutto quello che era importante era già
stato scoperto” e quindi senza futuro
• Questo malgrado una serie di scoperte sensazionali si
susseguano nelle fisica dell’ultimo decennio dell’Ottocento
• Nessuna era una ricerca mirata, tutte esempi di serendipity
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• 1895 Wilhelm Conrad Roentgen (primo premio Nobel nel 1901 per
la fisica) sperimentando con i raggi catodici, scopre i raggi X che nel
1912 von Laue dimostrerà essere onde elettromagnetiche. Fra cose
molto più importanti, nasce anche il Podometro …
• 1896 Antoine Henry Becquerel scopre accidentalmente la
radioattività naturale dei sali di Uranio. Nascono i raggi alfa (nuclei
di Elio a doppia carica positiva) e i raggi beta.
• Una studentessa polacca, Maria Sklodowska Curie studiando
questa radiazione scoprirà che alcuni elementi chimici emettono
spontaneamente queste radiazioni che chiamerà radioattività per
aver isolato per primo il radio. Nel 1903 Maria Curie, suo marito
Pierre Curie e Becquerel spartiranno il premio Nobel per la fisica
per la scoperta del radio mentre lei da sola riceverà un secondo
premio Nobel (questa volta per la chimica) nel 1911 per aver
isolato il polonio
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• 1897 Joseph John Thomson direttore del Cavendish
Laboratory di Cambridge osserva che i raggi catodici sono
sensibili ai campi elettrici e magnetici e che si comportano
come particelle cariche negativamente. Le sue misure
permettono di determinare (stimare) sia la massa che la
carica e propone che si tratti di una nuova particella: nasce
l’elettrone.
• Altri due fisici, Emil Wiechert e Walter Kaufmann fanno la
stessa osservazione precedendo anzi Thomson di poco ma
non hanno il coraggio di proporre che si tratti di una nuova
particella. All’epoca erano più popolari i raggi
• A Thomson resterà così il credito di aver scoperto l’elettrone
per il quale riceverà il premio Nobel per la fisica nel 1906 "...
in riconoscimento dei grandi meriti dei suoi studi teorici e
sperimentali sulla conduzione dell'elettricità nei gas".
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Malgrado tutto ciò, alla fine dell’800, Lord Kelvin ad una riunione
della British Association for the Advancement of Science diceva
"There is nothing new to be discovered in physics now. All that
remains is more and more precise measurement” cosa su cui altri
nomi illustri della fisica (fra cui Millikan) concordavano. Lord
Kelvin si cautelava dicendo che solo due nubi si stagliavano
all’orizzonte altrimenti sgombro della fisica e cioè:
• 1) le equazioni di Maxwell non obbedivano alle leggi d’invarianza
per trasformazioni di coordinate dette di Galilei cui obbediscono
le equazioni della meccanica e,
• 2) vi era una discrepanza tra previsioni teoriche e osservazione
sperimentale nello spettro di emissione di un corpo nero e non si
capiva l’origine degli spettri a righe degli atomi.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019•Due nubi veramente di poco conto:
• Dalla dissipazione della prima Einstein farà nascere la
Relatività Speciale prima e Generale poi da cui, a loro
volta nasceranno l’astrofisica moderna e la cosmologia
• Dalla seconda sorgerà la Meccanica Quantistica per opera
di Planck e poi Bohr, Rutherford, Schroedinger, Jordan,
Heisenberg, Born, de Broglie, Wigner e tanti altri da cui, a
sua volta, nascerà la fisica delle particelle e che oggi sta
vivendo, cento anni dopo, una seconda giovinezza.
• Anche qui il ruolo di Einstein è stato fondamentale (e
costruttivo quasi suo malgrado) per molti motivi e in
diverse occasioni diverse, 1905, 1922 e 1935.
• Ci torneremo su più avanti.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019La nascita della Meccanica Quantistica
• È domenica 7 Ottobre del 1900 quando, ricevendo un amico
sperimentale, Heinrich Rubens, Planck apprende che i dati
riguardanti la distribuzione della radiazione di corpo nero in
funzione della frequenza ν sono ben riprodotti dalla legge di
Wien (∝ exp［- Kν］) per alti valori della frequenza stessa
ma se ne discostano a bassi valori (ricordiamo che il
prodotto della frequenza per la lunghezza d’onda è uguale
alla velocità della luce cioè, con buona approssimazione a
circa 300.000 km al secondo) dove, invece, è noto che
seguono la legge a parabola della fisica classica di Rayleigh
Jeans (∝ ν² ) che al crescere di ν porterebbe alla catastrofe
ultravioletta
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• La sera stessa (pare), Planck cerca una formula interpolatrice e
propone quella che ancora oggi si chiama la formula di Planck
• 1) J(ν , T) = c h (ν³/c³) 1/(ehν/kT -1)
• dove h è una costante da determinare che Planck chiama così
per essere la prima lettera della parola tedesca hilfe (aiuto)
• La risposta è sorprendente:
• La formula di Planck (che per h=0 fornisce la formula classica di
Rayleigh Jeans) riproduce perfettamente i dati sperimentali se
per h si assume il valore ridicolmente piccolo di
• 2) h = 6,626 269 57(29) 10-34 Joule s=4,135 628 52 •10-15 eV s
• come mostra la figura che si riferisce a T=1595 kelvin
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019valore ridicolmente piccolo di
ridicolmente piccolo…
Nella (2), eV è un elettronvolt e cioè l’energia che acquista (o perde) un elettrone per una
differenza di potenziale di un Volt; per la precisione, 1 eV = 1,602 176 53 × 10-19 J dove è di
nuovo notevole la sua piccolezza rispetto alle tradizionali energie della fisica classica.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Il 14 Dicembre 1900 Planck propone un’interpretazione che porta
esattamente alla sua formula
• Quale era l’idea rivoluzionaria e vincente di Planck? Quella di
supporre che tutti i corpi ma in particolare il corpo nero siano
costituiti da oscillatori elementari che emettono per multipli interi
della loro frequenza cioè per quanta di energia
• (3) En= n h ν
• dove n è un intero che varia da 1 ad ∞ e dove h è la costante
discussa sopra che, fatti tutti i calcoli e “risolto” il problema Planck
intendeva far tendere a zero. Però, se h ha il valore che abbiamo
visto prima (eq. 3), l’accordo con i dati sperimentali è ottimo (v. fig.
1) ma se si fa tendere (si pone) h=0 si ritrova la catastrofe
ultravioletta V. Fig.2).
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Colloquio Dip.to Fisica, 30/10/2015 19
• Planck passerà (vanamente) buona parte della sua vita a cercare
di liberarsi di h. Pais lo chiama un rivoluzionario riluttante.
• Nel 1976, Segrè raccontava che per anni Planck aveva cercato una
spiegazione della sua scoperta che non fosse rivoluzionaria ma alla
fine aveva dovuto rinunciarvi dicendo «Fu un atto di disperazione.
Avevo già lottato per sei anni con il problema del corpo nero. Sapevo
che il problema era fondamentale e ne conoscevo la legge; una
spiegazione teorica doveva trovarsi a qualunque costo, salvo la
inviolabilità delle due leggi della termodinamica»
• Alla fine della sua vita commentava: “I tried immediately to weld the
elementary quantum of action h somehow into the framework of
classical theory. But in the face of all such attempts, this constant
showed itself to be obdurate… My futile attempts to fit the
elementary quantum of action into the classical theory continued for
a number of years, and they cost me a great deal of effort”.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Una carrellata entusiasmante (e non è finita)
• 1900 Planck (abbiamo visto) pone le basi della Meccanica
Quantistica derivando la formula base della distribuzione
dell’intensità di radiazione
• 1905 Einstein risolve il problema dell’effetto fotoelettrico
proponendo che i fotoni abbiano una energia E= h ν che è,
essenzialmente la stessa formula proposta da Planck. Si
torna a una corpuscolarità della luce (à la Newton) anticipo
del dualismo onda-corpuscolo
• 1909 Geiger e Marsden su suggerimento di Rutherford
bombardano con particelle alfa sottili lamine di oro
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• L’esperimento mostra che le particelle in gran maggioranza
attraversano la lamina come se essa non ci fosse. Una piccola
frazione di particelle (poche per mille), invece, sono respinte
all’indietro come se urtassero contro un nocciolo duro. È nato
lo strumento fondamentale della fisica del Novecento: lo
scattering di particelle che tuttora è lo strumento base della
fisica dell’estremamente piccolo (Abdus Salam).
• 1912 Rutherford interpreta l’esperimento dando il primo
modello dell’atomo basato su dati sperimentali e non su
congetture fantastiche. È la prima volta che la scienza tenta di
esplorare davvero l’atomo dai tempi di Leucippo e Democrito:
• Una struttura quasi interamente vuota (con nuvole di
elettroni e un nocciolo duro di carica positiva, il nucleo)
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• 1913 si danno le prime stime delle dimensioni dell’atomo
più elementare (il protone, nucleo dell’atomo di idrogeno) e
si dà la prima stima del suo raggio < 10-13 m.
• Oggi sappiamo che il protone ha dimensioni di circa 10-15 m
(lo chiamiamo un fermi) mentre l’atomo ha dimensioni di
circa 10-10 m (che chiamiamo Angstrom).
• Quindi, l’atomo è quasi interamente fatto di vuoto. La
durezza della materia deriva dalla difficoltà di attraversarla
quando questo comporta avvicinare troppo i protoni e
superare la relativa barriera di repulsione coulombiana
• 1913 Il fisico danese Niels Bohr propone il primo modellino
semiclassico della natura che spiega già molte cose ma che
è ancora legato a orbite dell’elettrone di tipo classico.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• 1922 Un fisico francese di origini piemontesi (di Chieri), Louis
principe di de Broglie propone che le particelle materiali in
condizioni particolari possano comportarsi come onde (onde
di materia o di de Broglie) e sottopone la sua idea ad Einstein
che la approva entusiasticamente e chiede che ne venga fatta
la verifica sperimentale.
• È l’unificazione del comportamento di luce e materia e, di
fatto, la nascita dei paradigmi fondamentali della Meccanica
Quantistica
• 1925-26 Erwin Schrodinger e Werner Heisenberg propongono
l’uno la Meccanica Ondulatoria (equazione di Schrodinger) e
l’altro la Meccanica delle matrici.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• 1927 Schrodinger dimostra l’equivalenza delle formulazioni
citate sopra e nasce la Meccanica Quantistica i cui paradigmi
fondamentali verranno stabiliti negli anni immediatamente
successivi e vengono ancora oggi considerati validi (anche se
resta vero anche quello che dirà Feynman che nessuno l’ha
mai capita veramente)
• 1927 Nei Bell Laboratories, due fisici americani, Davisson e
Germer, dimostrano la validità della congettura di de Broglie
• È nato il dualismo onda cospuscolo
• 1927 Heisenberg propone il suo principio di indeterminazione
• 1928 Dirac propone l’estensione alla relatività speciale
dell’equazione di Schoedinger e nasce l’antimateria.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• 1932 Carl Anderson (Nobel 1936) scopre l’antielettrone (e
da allora si è scoperto ogni tipo di antimateria)
• 1932 scoperta del neutrone da parte di James Chadwick
• 1935 Il “Paradosso” EPR (Einstein, Podolsky e Rosen) aprirà
le porte alla rinascita della Meccanica Quantistica e ai
fenomeni che oggi vanno sotto il nome di “entanglement”
• Anni ‘70 e ’80 la diseguaglianza di Bell viene proposta come
discrimine fra Meccanica Quantistica e teorie dette “di
variabili nascoste”
• Gli esperimenti di Aspect et al e poi di diversi altri danno
ragione alla Meccanica Quantistica
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019La nuova primavera della Meccanica Quantistica
• Dopo il lavoro EPR, negli anni ‘60 la (le) diseguaglianza(e) di
Bell indicano la direzione in cui muoversi e le verifiche
sperimentali corroborano i paradigmi della MQ
• Nasce l’entanglement, cioè la verifica che la MQ prevede
fenomeni non locali che era stata una delle anticipazioni
EPR
• Nascono come conseguenza filoni totalmente nuovi ed
inaspettati come la computazione quantistica, la crittografia
quantistica, il teletrasporto ecc.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Riassumendo, dopo oltre cento anni di sviluppi, oggi la
nuova primavera della Meccanica Quantistica è
sintetizzabile in
• “Paradosso” EPR (1935)
• Diseguaglianza di Bell (1964)
• Verifica di Aspect et al. (1975 e a seguire)
• Entanglement
• Crittografia quantistica
• Computazione quantistica
• Teletrasporto.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Prima di procedere, vale la pena ricordare che l’interpretazione
di Rutherford che i dati del bombardamento di Geiger e Marsden
di particelle alfa su sottili lamine d’oro siano evidenza che
nell’atomo esistono corpuscoli pesanti (che oggi chiamiamo
nucleo) si riproporrà quasi invariata negli anni ‘70 quando James
Bjorken interpreterà i dati su quello che si chiama DIS (Deep
Inelastic Scattering) come evidenza dell’esistenza dei quark
all’interno dei barioni costituenti il nucleo stesso.
• Forse perfino più importante, però, l’esperimento proposto da
Rutherford e collaboratori diventerà il paradigma fondamentale
di praticamente tutti gli esperimenti di fisica dell’estremamente
piccolo del Novecento fino ad oggi (vedi la statua di Salam).
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019E la seconda nube di Lord Kelvin?
• È il 1905 l’Annus mirabilis di Einstein che:
• 1) Risolve il problema dell’effetto fotoelettrico (per il quale
riceverà il premio Nobel nel 1922)
• 2) Propone la Relatività Ristretta (o speciale) con cui dissipa
la seconda nube di Lord Kelvin e
• 3) Pubblica la sua tesi di dottorato sul moto Browniano con
cui schiude la porta al primo calcolo del numero di Avogadro
• In un ulteriore lavoro a settembre dello stesso anno, Einstein
propone la formula più celebre della fisica E = m c2
• INCREDIBILE
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• 1) Con il primo lavoro (effetto fotoelettrico), mette una pietra
miliare non tanto sulla nascita quanto sullo sviluppo della
Meccanica Quantistica e ripropone una teoria corpuscolare della
luce che confluirà nel dualismo onda-corpuscolo 20 anni più
tardi con l’ipotesi di de Broglie;
• 2) con il secondo lavoro propone una nuova meccanica dopo
Newton che ha le stesse leggi di trasformazione delle equazioni
di Maxwell (T. L.) e spazza via la seconda nube di Lord Kelvin
• inoltre, elimina l’etere e pone le premesse per la rivoluzione
della Relatività Generale cui seguirà la nascita dell’astrofisica
moderna;
• 3) con il terzo lavoro, oltre a fornire il primo modo di calcolare il
numero di Avogadro, dimostra la validità dell’ipotesi atomistica
di Boltzmann et al. a lungo negata dalla scuola di Ernst Mach
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Ma Einstein si rende subito conto che manca qualcosa di
fondamentale. Si è rimediato al problema della mancanza di
invarianza delle equazioni di Maxwell per trasformazioni di
Galileo (che sono diventate di Lorentz) ma nella sua teoria non
c’è spazio per la gravitazione.
• Cominciano 10 anni di progressi, ritirate, speranze e delusioni
ed è durante questi anni che Einstein ha quella che lui chiama
la sua idea più geniale: se uno cadesse in caduta libera
chiuso in un ascensore dove non potesse vedere fuori,
non si renderebbe conto del suo peso
• Sparirà la forza gravitazionale e sarà la massa a incurvare e
deformare lo spazio. Dirà Archibald Wheeler: “con la relatività
generale, la materia dice allo spazio come curvarsi, lo spazio
dice alla materia come muoversi “
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Al contrario di Planck (un rivoluzionario riluttante), Einstein è
sì un conservatore ma pronto allo stesso tempo sia a
rinunciare a una nozione tradizionale (pensiamo all’etere,
pensiamo al postulato sulla velocità della luce) ma anche a
rinunciare a una nuova idea di fronte all’evidenza (pensiamo
alla rinuncia all’Universo statico che invece diventa espansivo)
• Ma è anche pronto ad accettare idee nuove spesso anche
fortemente innovative se non rivoluzionarie (pensiamo alla
ipotesi di de Broglie nel 1922 ma pensiamo anche alla sua
introduzione della costante cosmologica come prima reazione
all’idea che l’Universo possa espandersi che più tardi definirà
il suo più grande errore e che oggi ha chi la rivaluta)
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Tra il 1905 e il 1915, dieci anni di alti e bassi, di convinzioni di
essere riuscito nel suo intento e di amare marce indietro.
• Nel 1912, Einstein chiederà aiuto al suo grande amico rettore del
Politecnico di Zurigo il matematico Marcel Grossmann perché lo
aiuti a trovare il formalismo matematico adatto.
• Grossmann lo metterà al corrente del recente “calcolo
differenziale assoluto” (oggi lo chiamiamo “calcolo tensoriale”)
messo a punto dal matematico italiano Gregorio Ricci Curbastro
che lo ha poi sviluppato con il suo allievo Tullio Levi Civita.
• Ha inizio una corrispondenza con Levi Civita che rappresenta il
(grande) contributo italiano alla nascita della relatività generale.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019•Fine del primo tempo. A fra 10 minuti
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Nascita della Relatività Generale
• Quasi esattamente cento anni fa, il 4, l’11, il 18 e il 25
novembre 1915, in una serie di seminari all’Accademia delle
Scienze Prussiana e in un primo lavoro (Die Grundlage der
allgemeinen Relativitätstheorie) Einstein presenta la
relatività generale come teoria che incorporava ma andava
molto oltre la relatività speciale e che prevedeva varie
verifiche sperimentali fra cui il fenomeno della deflessione
della luce per il suo passaggio in vicinanza di un corpo
molto massiccio.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• In particolare, quella del 18 novembre riportava il calcolo
secondo la relatività generale della variazione del perielio di
Mercurio; un problema antico che la meccanica newtoniana
spiegava in gran parte (5600” di arco in un secolo) ma non del
tutto: il calcolo era in difetto di 43” di arco. Einstein trova un
accordo perfetto e “per giorni ne restò eccitato”.
• Questa, praticamente inosservata al grande pubblico (e a
molti esperti), fu la prima prova della validità della relatività
generale.
• Erano gli anni della prima guerra mondiale e le comunicazioni
tra la Germania (dove viveva Einstein) e il resto del mondo
erano scarse e difficili ma non del tutto impossibili
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• In Inghilterra, l’astronomo Arthur Eddington prepara due
spedizioni scientifiche in Brasile e sulla costa Occidentale
dell’Africa per andare a verificare le previsioni di Einstein sulla
deflessione della luce (lente gravitazionale) da parte di grandi
masse durante l’eclissi totale di sole del 1919
• Non del tutto convincenti, le misure sono però sufficienti a
Eddington per proclamare la validità della teoria di Einstein
durante una riunione congiunta a Londra della Royal Society e
della Royal Astronomical Society la sera del 6 Novembre 1919.
• Le misure definitive verranno dal Lick Observatory nel 1922
ma dovremo aspettare gli anni ‘60 per poter dire che sono
esattamente rispettate le previsioni della RG e non quasi.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Foto originale
di Eddington
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Lente gravitazionale
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Lente gravitazionale
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Immagine deflessa da una quasar in primo piano di una
galassia lontana Fig. 4
42Fig. 5 Immagine distorta di una galassia
lontana in forma di anello di Einstein
43Fig. 6 «Croce di Einstein»
44Fig. 7 Croce di Einstein
45Lo sviluppo degli avvenimenti sulla nascita della
RG può riassumersi sinteticamente come segue
• Anticipazione di H. Lorentz (Einstein ne parla in una lettera a
sua madre del 27 Settembre 1919)
• Presentazione foto di Eddington a Londra 6/11/1919
• Editoriale del London Times 7/11/1919
• New York Times 10/11/1919 (Lights all askew in the Heavens)
• Dall’Olanda il 24/11/19 (Ehrenfest)
• Eddington scrive ad Einstein (1/12/19) All England…
• In Germania il 14/12/1919 (il Berliner Illustrirte Zeitung)
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Einstein scopre presto che una soluzione approssimata delle
sue equazioni comporta la possibile esistenza di onde
gravitazionali che cento anni dopo sono state scoperte in
USA dagli interferometri LIGO
• Oggi anche le stelle di neutroni (materia giunta all’ultimo
stadio del collasso dove tutti i protoni sono stati convertiti
in neutroni e un cucchiaino di materia pesa quanto tutti gli
essere umani sulla Terra) sono state scoperte e, con loro:
• Miriadi di galassie, materia oscura, supernove, buchi neri,
pulsar, wormholes, espansione e, anzi, accelerazione della
espansione dell’universo (energia oscura) hanno cambiato
radicalmente la nostra percezione dell’Universo nel ‘900.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Prove della validità della Relatività Generale
• 1) Perielio di Mercurio
• 2) Lente gravitazionale
• 3) Espansione dell’Universo
• 4) Buco Nero
• 5) Onde gravitazionali
• 6) GPS
• … ma la RG, come la MQ non può essere la fine della storia…
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Nascono l’astrofisica e la cosmologia
• Il Novecento presenta una galoppata nel macrocosmo che
oggi ha raggiunto e forse perfino superato i concomitanti
sviluppi dell’esplorazione del microcosmo su cui torneremo.
• 1922 Alexander Friedman risolvendo le equazioni di Einstein
scopre che queste prevedono una espansione dell’Universo;
• 1923 Georges Lemaitre (gesuita belga) propone l’uovo
cosmico (preludio al Big Bang proposto 40 anni più tardi da
Fred Hoyle) sulla base del red shift trovato dai telescopi che
indicano l’allontanamento di stelle e galassie per effetto
Doppler;
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• 1928 Usando il teorema del viriale, Fred Zwicky scopre la materia
oscura che verrà confermata decenni dopo da Vera Rubin come
effetto della rotazione delle galassie a spirale;
• 1929 Hubble conferma l’allontanamento delle galassie e quindi
l’espansione dell’Universo;
• 1964 Jocelyn Bell scopre le pulsar, stelle collassate che quando si
trovano in coppia ruotano velocemente ed emettono come fari
luminosi
• Riccardo Giaccone inventa l’astronomia a raggi X per cui riceverà il
premio Nobel pochi anni fa e ne fa una Big Science.
• Circa duecento miliardi di galassie e 200 miliardi di stelle per
galassia portano a circa il numero di Avogadro di stelle
nell’Universo! E poi ci sono i pianeti…
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019… e così via e così via e così via…
• … fino, appunto, alla pistola fumante della validità della
Relatività Generale per cui, quasi esattamente cento anni
dopo la loro proposta, è avvenuta la scoperta delle onde
gravitazionali a seguito della coalescenza di due buchi neri
che ha irradiato nello spazio l’equivalente di tre masse
solari
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019E cosa capita, intanto nel microcosmo?
• Molte altre cose avvengono ancora prima della seconda
guerra mondiale; una è particolarmente importante:
• Nel 1935 Il fisico giapponese Hideki Yukawa, in analogia alle
interazioni elettromagnetiche che coinvolgono tutte la
particelle cariche ma che sono trasmesse dal fotone,
propone che vi debba essere una particella che chiama
“mesotrone” (poi abbreviato in “mesone”) che trasmette
l’interazione all’interno del nucleo (“interazioni forti”)
• Sapendo che il range delle interazioni forti è il Fermi,
Yukawa stima che debba avere una massa dell’ordine del
centinaio di MeV (MeV = un milione di elettronvolt).
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Nel 1937 questa particella sembra rispondere all’appello quando
Carl David Anderson (lo scopritore del positrone) e il suo studente
Seth Neddermeyer usando la camera di Wilson trovano una
particella con una massa di circa 105 MeV/c2 cioè molto vicino a
quella prevista.
• Saranno tre giovani fisici italiani, Marcello Conversi, Ettore Pancini
e Oreste Piccioni che, verso la fine della guerra, in condizioni di
sperimentazioni molto precarie (si devono spostare da un punto
all’altro di Roma), scoprono che attraversa spessori troppo grandi
per cui non può essere la particella di Yukawa (instabile per
interazioni forti) ma una specie di copia pesante dell’elettrone (che
oggi conosciamo come “muone”).
• Il fisico americano Isaac Rabi porrà la domanda
• “questa qui, chi l’ha ordinata?”.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Ancora oggi una particella curiosa che fa parte di una
famiglia di particelle chiamate “leptoni” cui, nel tempo (nel
1975), si è aggiunto un altro membro, molto più pesante
chiamato “tau” (τ) con massa di 1777 MeV/c2.
• Queste tre particelle non sono soggette alle interazioni forti.
• Con i loro tre neutrini (detti di elettrone, di muone e di tau)
costituiscono oggi una famiglia di sei leptoni.
• I leptoni fino ad ora appaiono puntiformi (elementari) e non
sono stati legati di altri costituenti ancora più elementari.
• Sono particelle che non interagiscono fortemente ma solo,
debolmente (se cariche, anche elettromagneticamente). E,
naturalmente, hanno anche interazione gravitazionale.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Quando dopo la seconda guerra mondiale, la fisica riparte, sarà un
incessante e scoppiettante fuoco di artificio di scoperte che
modificheranno integralmente il panorama.
• Decine di nuove particelle, chiamate risonanze perché instabili
(alcune fortemente instabili che, cioè, decadono per effetto
dell’interazione forte) vengono scoperte;
• altre impiegano tempi maggiori e decadono elettromagneticamente
o anche solo debolmente).
• Già nel 1947 la particella di Yukawa mediatrice delle interazioni forti
viene scoperta nei raggi cosmici da Cesar Lattes, Giuseppe Occhialini
e Cecil Frank Powell (solo quest’ultimo premio Nobel nel 1950).
• Chiamato “pione” (o mesone π), esiste in tre stati di carica positiva,
negativa e neutra con una massa intorno a 135 eV molto vicina,
cioè, a quella che Yukawa aveva anticipato.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Tra gli anni ‘30 e ‘40 del Novecento, si consolida un panorama della
fisica in cui vi sono quattro interazioni.
1) interazione gravitazionale di range infinito (la meno nota)
responsabile dei fenomeni su grandi scale galattica e cosmologica
2) interazioni elettromagnetiche (anch’esse di range infinito) tra
particelle cariche con il fotone come mediatore responsabili di
praticamente tutti gli effetti che vediamo nella vita di tutti i giorni
3) interazioni nucleari dette “forti” di range finito (e breve, circa 10-15
metri) forse mediate dal pione responsabili di quasi tutto quello che
succede nel mondo subatomico tra particelle “pesanti” (“adroni”);
particelle base protone e neutrone (detti “Nucleoni”) e le risonanze
4) interazioni “deboli” di range apparentemente zero (o quasi) che
appaiono prive di mediatori e pongono molti problemi
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Negli anni ’30 il panorama sembra relativamente semplice:
• Tutta la materia conosciuta sembra essere costituita da soli
tre costituenti: protone, neutrone ed elettrone.
• Nel 1930 è anche ipotizzata (da Pauli, lo scopritore del
principio di esclusione) l’esistenza di una particella molto
strana, non ha carica, non ha massa, interagisce pochissimo
ma è indispensabile per evitare che il decadimento del
neutrone in protone ed elettrone (decadimento che
avviene in circa 14 minuti) comporti la violazione sia della
energia che del momento angolare (come proponeva Bohr)
• Verrà chiamato neutrino da Fermi e sarà scoperto solo nel
1956 da Clyde Cowan e Frederick Reines a Oak Ridge
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Cambia la prospettiva
• Le risonanze sono troppe per essere tutte particelle elementari.
• I fisici partono alla ricerca della tavola di Mendeleiev della
fisica con cui sistematizzare le loro scoperte
• Comincia nel 1949 Fermi con il suo allievo Chen Ning Yang (che
nel 56 insieme a Tsun Dao Lee scoprirà che la natura viola la
simmetria spaziale destra-sinistra (la chiamiamo “parità”)
proponendo un semplice modellino in cui i pioni sono stati
legati di nucleone-antinucleone
• Continua Shoichi Sakata che ai nucleoni aggiunge la risonanza
detta Λ (Lambda) per accomodare particelle dette “strane”
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Il modello a quark di Gell Mann
• È il 1964 quando (praticamente allo stesso tempo) Murray Gell
Mann e George Zweig propongono un modello (che Gell Mann
chiama “a quark”) di costituenti subnucleari di spin semintero
(i quark, appunto) che a tre a tre formano i barioni (cioè gli
adroni di spin semintero come protone, neutrone, lambda ecc.)
e, a coppie di quark-antiquark, i mesoni
• La caratteristica curiosa, è che i quark hanno carica frazionaria
alla cui evidenza sperimentale, dopo molti alti e bassi, i fisici
rinunceranno: in natura si trovano solo cariche multipli INTERI
positive o negative della carica dell’elettrone (e del protone).
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Un ritorno agli anni ‘30?
• Sembra un ritorno agli anni ‘30 quando tre sole particelle
erano ritenute costituenti di tutta la materia
• Negli anni ‘60 sono i quark “up” (spin su), “down” (spin giù)
e “strange” (strano, per tener conto del numero quantico di
stranezza di alcune nuove particelle introdotto da Gell Mann
e Nishijima nel 1952)
• Ma presto, come vedremo subito sotto, la prospettiva
cambia nuovamente
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• I quark non vengono scoperti liberi in natura, ma le evidenze a
favore della loro esistenza come stati legati si accumula.
• Dagli iniziali 3 del modello proposto da Gell Mann attraverso varie
vicissitudini si passa a 4. Alla fine sono 6 i quark di cui si trova
evidenza: “up” (”su”), “down” (”giù”), “strange” (“strano”),
“charm” (“fascino”), “beauty” (bellezza”) e “top” (“cima”).
• 6, esattamente come i leptoni
• Si suggerisce e poi si dimostra che il meccanismo è di quello che
verrà chiamato di libertà asintotica e di confinamento totale: un
quark, piuttosto di farsi liberare, genera una coppia quark-
antiquark e frammenta l’adrone emettendo un mesone.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Nascita della Quanto Cromo Dinamica (QCD)
• Con il paradigma ricordato sopra, nasce la Quanto Cromo
Dinamica (o QCD) che estende l’idea della Quanto Elettro-
Dinamica (QED) che negli anni ’60 era stata sviluppata e
dimostrata governare con precisione straordinaria i fenomeni
delle interazioni elettromagnetiche cioè delle interazioni fra
particelle cariche mediate da fotoni
• Nella QCD, i mediatori delle interazioni fra quark sono 8
entità (anche queste confinate) chiamate “gluoni”
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Riassumiamo (si chiama “modello standard”)
• A questo punto, i costituenti “elementari” sono
• 1) 6 leptoni (elettrone, muone, tau e i loro tre neutrini)
• 2) 6 quark (che però vengono in tre varietà distinte da un nuovo
numero quantico che i fisici chiamano per vezzo numero
quantico di colore)
• 3) 12 mediatori delle forze (fotone per elettromagnetismo, Z0,
W+ e W- per le interazioni deboli e 8 gluoni per le interazioni
forti)
• 4) Almeno un bosone scalare (detto di Higgs) che dà massa a
tutti gli altri. Ma potrebbero esisterne di più
• Ma sappiamo che questa non è la fine della storia. Ci torneremo
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Una breve parentesi: Enrico Fermi
• Une breve parentesi è necessaria per dare una (pallida) idea
del ruolo di Enrico Fermi nella rinascita della fisica italiana
dormiente per la maggior parte dell’Ottocento.
• Fermi, in un certo senso è il nuovo Galileo e il suo ruolo nella
rinascita della fisica italiana come nello sviluppo di quella
Americana è difficile da valutare. Si pensi che uno dei suoi
“allievi”, Jay Orear, stima in una dozzina i fisici americani che
in maniera diretta o indiretta gli sono debitori del premio
Nobel che hanno ricevuto.
• Nasce il 29 settembre 1901 e muore di cancro a Chicago il 28
novembre 1954 (probabilmente preso nei suoi esperimenti)
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Ancora studente alla Scuola Normale di Pisa, richiesto dai suoi
docenti oltre agli esami fa conferenze e scrive articoli
scientifici
• È fra i primi (il primo in Italia) a riconoscere il ruolo decisivo
della formula di Einstein E=mc2 che applicherà pochi anni più
tardi nel progetto Manhattan a Los Alamos.
• Vince giovanissimo la prima cattedra di fisica teorica italiana
(ma è il classico caso di teorico considerato tale dai teorici e di
sperimentale fra gli sperimentali) e crea il famoso gruppo dei
“ragazzi di Via Panisperna” (Rasetti, Persico, Amaldi, Segrè
Majorana, Segrè, Pontecorvo e tanti altri nomi celebri
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Nel 1938 vince il Premio Nobel convinto di aver trovato degli
elementi transuranici (la motivazione è, infatti, ”per
l'identificazione di nuovi elementi della radioattività e la
scoperta delle reazioni nucleari mediante neutroni lenti” ) ma, in
realtà, il gruppo ha frantumato l’atomo con la prima fissione
dell’atomo di Uranio.
• A Fermi è dedicata
"
l’unità di misura subatomica (il Fermi uguale a
10-15 m), un elemento transuranico (il Fermio), un satellite
artificiale (Fermi) che è stato fondamentale per lo studio delle
sorgenti gamma, fermioni sono collettivamente chiamate le
particelle di spin semintero. Il maggior laboratorio americano di
fisica a Chicago si chiama Fermilab; sempre a Chicago il Dip.to di
Fisica si chiama Fermi Institute così come a lui son dedicate
moltissime scuole in Italia e altrove (anche a Torino)
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Istruttivo è anche solo riportare i suoi principali campi di interesse fisico
• Studio delle forze nucleari e
• Scoperta della fissione dell’atomo
• Teoria (di Fermi) delle interazioni deboli
• Statistica di Fermi-Dirac (per particelle di spin semintero)
• Costruzione del primo reattore termonucleare e sua accensione
(campus di Chicago il 2/12/1942) reso noto con il famoso messaggio in
codice “The Italian navigator has reached the New World”
• Progetto Manhattan
• Scoperta della risonanza gigante al sincrociclotrone di Chicago
• Spiegazione dei raggi cosmici
• Fra i primi ad interessarsi di calcolatori e ad intuirne le potenzialità
• Modello di Fermi-Thomas
• Modello di Fermi Yang per il pione come stato legato nucleone-antinucleone
• Ispira l’inizio della medicina nucleare (un acceleratore all’ISS di Roma)
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Non potendo neppure sfiorare questo corpus di lavoro,
limitiamoci a poche idee su quello che forse è, dal punto di
vista teorico, il lavoro più importante inizialmente rifiutato
sia da Nature (con la motivazione “contiene speculazioni
troppo remote per poter interessare il lettore”) che dallo
Zeitschrift fur Physik malgrado la modestia (inusuale) del
titolo “Tentativo di una teoria dei raggi β“
• Parlo del primo lavoro con cui si studiano le interazioni
deboli (i raggi beta, appunto) di cui Rasetti scrive
• “Nell'autunno del 1933 Fermi ci mostrò un articolo che
aveva meditato e scritto nelle prime ore del mattino da
parecchi giorni, già in forma completa di tutti gli sviluppi
matematici, su una teoria dell'emissione dei raggi β
fondata sull'ipotesi di Pauli del neutrino…”
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• A parte l’importanza dell’interazione debole sia nei suoi aspetti
costruttivi che in quelli inusuali (viola praticamente tutte le
simmetrie dinamiche che invece sono conservate dalle altre
interazioni, la parità P, la coniugazione di carica C, l’invarianza
per inversione temporale T, è, almeno in parte, responsabile dell
scomparsa dell’antimateria e, probabilmente, della scelta degli
esseri viventi delle versioni levogire quando essa si pone,
insomma, è un vero “pierino la peste” della fisica subnucleare),
la costruzione di Fermi rappresenta per una trentina di anni
l’unico modo di trattare una larga classe di fenomeni importanti
e fornisce l’ispirazione a chi ne darà la sistemazione accettata
oggi.
• Fermi apre un vero e proprio vaso di Pandora
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019era spiritoso
• Nel 1954, nell sua ultima conferenza come Presidente della
Società Americana di Fisica, propone (scherzosamente) la
costruzione di un “acceleratore ultimativo” da posizionare su
un orbita a 1000 miglia dalla Terra che, con la tecnologia
dell’epoca che non conosceva magneti superconduttori e con
un costo di circa 170 miliardi di dollari, avrebbe potuto
raggiungere l’energia di 5 milioni di miliardi di elettronvolt
• Oggi, con un costo di circa 5 miliardi di euro, LHC, il Large
Hadron Collider del Cern raggiunge quasi un miliardo di
miliardi di elettronvolt equivalenti su bersaglio fisso usando
però la tecnologia di collisionatori a magneti superconduttori.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Ma era anche molto (troppo?) pragmatico
• Di questo abbiamo molti esempi (per esempio zittiva sua
moglie “stick to the fact”) ma forse l’esempio più estremo è
dato dalla sua considerazione che, forse, l’uso terribile
dell’arma nucleare con le centinaia di migliaia di morti in
Giappone nell’estate del 1945, avrebbe prevenuto l’uso
della medesima in situazioni successive.
• Speriamo almeno che questo continui a restare vero…
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Nascita del modello standard
• A seguito delle scoperte sperimentali e della definizione di
sofisticati modelli teorici basati sulla violazione spontanea di
simmetrie nascoste, tra gli anni ‘60 e ‘80 nasce il modello
che tuttora, malgrado i suoi limiti, è quello che funziona nel
mondo subatomico: il cosiddetto modello standard
• Sulla falsariga e con l’estensione della tecnica usata da
Maxwell nel 1864, nasce l’unificazione delle interazioni
elettromagnetica e debole (da parte di Glashow, Salam e
Weinberg) quasi esttamente cento anni più tardi e poi
• Seguirà l’incorporazione delle interazioni forti negli anni
successivi con la nascita già menzionata della QCD
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Tecnicamente,
• dal gruppo Abeliano SU(2) dell’elettromagnetismo iniziale
dell’unificazione di Maxwell, si passa al gruppo non Abeliano
SU(2)xU(1) dell’unificazione detta elettrodebole tra
l’elettromagnetismo e le interazioni deboli (di Glashow,
Salam e Weinberg) al gruppo SU(3)xSU(2)xU(1) della Quanto
Cromo Dinamica di Gross, Politzer e Wilczek
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• A questi risultati hanno dato importanti contributi vari fisici
italiani a partire da Carlo Rubbia ma voglio anche ricordare due
cari amici il primo dei quali ci ha lasciati parecchi anni fa, Nicola
Cabibbo e il socio dell’Accademia Luciano Maiani che hanno
dato contributi comparabili per importanza in questo campo.
• Dalla teoria di Fermi nasceranno le teorie di Yang e Mills
(Abeliane e non Abeliane), i bosoni intermedi Z° e W ma anche
il celebrato bosone di Higgs e il cosiddetto modello standard e,
appunto, la Cromo Dinamica Quantistica.
• Come dire, l’essenza stessa della fisica delle particelle di oggi. E
chi sa quanti altri sviluppi sono in serbo per il futuro dal sicuro
superamento di queste teorie che sappiamo essere tuttora
incomplete.
• Non voglio, è ovvio, attribuire tutti questi meriti direttamente a
Fermi ma certo la sua teoria delle interazioni deboli ha fornito
stimoli e suggerimenti di altissimo valore
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• A riassunto di molte cose dette sopra, ricordiamo che, con
questi sviluppi nel mondo delle particelle, non solo si è
raggiunta una panoramica abbastanza soddisfacente ma la
cosa eccitante è che sappiamo già anche che è inadeguata.
• L’unificazione di tre delle quattro forze della fisica, lascia
cospicuamente fuori proprio quella gravitazione che così
tenacemente (ed inutilmente) Einstein aveva cercato di
unificare con l’elettromagnetismo e, anche se vi sono segni
di possibili sviluppi (vedi la teoria delle stringhe), questo
passo ulteriore richiederà di capire come la Meccanica
Quantistica e la Relatività General possano coesistere.
• Come dire che non spiegheremo l’infinitamente
piccolo se non avendo capito l’infinitamente grande
e viceversa
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Malgrado da questo siamo ancora lontani, un
elemento di blando ottimismo è che
• dal Big Bang in poi (epoca nella quale presumibilmente
eravamo in condizioni di Meccanica Quantistica, siamo
passati ad un’epoca (quella attuale dopo 13 miliardi di
anni), in cui dominano le grandi scale e quindi la Relatività
Generale
• Questo indica che, presumibilmente, le due teorie (MQ e
RG) a un certo punto devono aver dovute coesistere prima
che le 3 forze della QCD si separassero dalle gravitazione
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Cerchiamo di concludere
• Nessuno, evidentemente, ha una sfera di cristallo nella
quale guardare il futuro ma neppure il passato quando
questo è troppo lontano. Ciononostante, i cosmologi hanno
raggiunto una serie di conclusioni sui primissimi istanti
dell’Universo che, pur affetti da larghe incertezze, sono
comunque accettate come plausibili e avevo anticipato che
avrei chiuso proprio dando una scaletta di come si sono
presumibilmente svolti i primissimi istanti dopo il Big Bang
(in quanto segue, “s” sta per “secondo”).
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• A 10-43 s l’Universo è un punto minuscolo concentrato in 10-32
cm a una temperatura di 1032 gradi e a questo punto la gravità si
separa dalle altre forze;
• A 10-35 s il processo di espansione accelera in quella che è
chiamata inflazione: si forma una bolla quantistica che si
allontana a velocità enorme (molto superiore alla velocità della
luce) al cui interno il nostro Universo raggiunge le dimensioni di
una palla da tennis;
• A 10-32 s l’inflazione cessa e l’espansione continua. L’interazione
forte si separa e si producono quarks e leptoni che sentono
ancora l’interazione elettrodebole come un tutto unico;
• A 10-11 s l’interazione elettromagnetica e debole si separano
producendo fotoni e particelle W e Z; la temperatura è scesa a
1015 gradi;
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• A 10-6 s quarks e antiquarks tendono ad interagire. A 1013
gradi non c’è più energia sufficiente a crearli;
• A 10-4 s si formano i barioni; l’Universo ha raggiunto le
dimensioni del nostro sistema solare. Gli anti
• quarks spariscono mentre i quarks si aggregano a formare
protoni e neutroni;
• A 1 s i neutrini si allontanano liberamente (laggiù nello
spazio ce ne sono ancora in enorme quantità);
• A 100 s neutroni e protoni si combinano a formare atomi di
elio; non succede molto nei successivi 100.000 anni
(idrogeno, elio e tracce di elementi leggeri alla temperatura
dell’acciaio fuso);
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• A 300.000 anni l’Universo si accende; gli elettroni si
combinano ai nuclei a formare gli elementi. La radiazione
non è più così forte da spaccare gli elementi e non viene
automaticamente assorbita. L’Universo diventa trasparente
e si riempie di luce.
• A 1 miliardo di anni si formano le galassie e l’Universo
assume la forma che ci è famigliare;
• A oltre 13 miliardi di anni (oggi) l’Universo ha la forma che
gli conosciamo.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019CONCLUSIONI?
• Tante domande restano senza risposta:
• Quando si è formata la materia oscura e cos’è esattamente?
• Cos’è l’energia del vuoto?
• Riuscirà l’uomo a domare la fusione nucleare cioè a
riprodurre in laboratorio il meccanismo che fornisce
l’energia alle stelle e che ci viene dal Sole?
• Come succederà (e quando avverrà) che la relatività
generale e la meccanica quantistica si incontrino? Ovvero
(le cose sono equivalenti):
• Quanto è accurata la nostra ricostruzione dell’evoluzione
dell’Universo fino al Big Bang? E, domanda delle domande
• cos’è successo prima di 10-43 s?
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• Riusciremo mai ad andare oltre le congetture o
dovremo seguire il consiglio di Dante?
•
• “State contente, umane genti al quia
• ché, se possuto aveste saper tutto,
• mestier non era parturir Maria.”
•
• Difficilmente sarà questo il consiglio cui si adeguerà
lo scienziato se la curiosità insita nell’essere umano
non subirà una imprevedibile e molto improbabile
caduta verticale.
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019• GRAZIE DELL’ATTENZIONE
Nascita della Fisica Moderna - Accademia 17/01/2019Puoi anche leggere
