Planetario di Milano 6 Giugno Corrado Ruscica

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1 Planetario di Milano 6 Giugno 2006 Corrado Ruscica

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4 L ultima lavagna

5 ... unificare la relatività generale con la meccanica quantistica? RELATIVITA GENERALE MECCANICA QUANTISTICA Teoria quantistica della gravità Einstein si mise allo studio di una teoria che avrebbe dovuto spiegare tutti i meccanismi dell Universo, cercando le equazioni di quella che doveva essere una Teoria del Tutto.

6 Newton Egli arrivò alla conclusione che la forza che attira gli oggetti verso terra e quella che mantiene in orbita la Luna attorno alla Terra sono la stessa cosa terra cielo

7 La Gravità è stata la prima forza ad essere compresa dalla Scienza. Dopo oltre 300 anni, ancora oggi le leggi di Newton vengono utilizzate per portare gli astronauti in orbita con i vettori, ma c era un problema: Newton non aveva idea di come essa funzionasse la Gravità! Il problema venne ignorato per quasi 250 anni, fino a che non apparve sulla scena Albert Einstein. All età di 26 anni, Einstein trovò che la velocità della luce era una sorta di limite di velocità del Cosmo, scoperta che sta alla base della Teoria della Relatività Speciale, pubblicata nel 1905.

8 Newton vs Einstein Le idee di Newton ed Einstein divergevano sul fatto che niente in natura può superare la velocità della luce. La forza di gravità agisce istantaneamente ad ogni distanza Nulla, nemmeno la gravità, può viaggiare a velocità superiori a quella della luce Ciò significava che la Teoria della Gravitazione di Newton era sbagliata concettualmente!

9 Ma se la teoria di Newton era sbagliata, come mai i pianeti non cadevano verso il Sole o la Luna sulla Terra? Einstein si trovava di fronte a un dilemma. All età di 30 anni, dopo lunghi anni di studi, Einstein trovò la risposta formulando una teoria della gravità che non superasse il limite della velocità della luce. Einstein ipotizzò che le onde gravitazionali viaggiassero alla velocità della luce!

10 Sole-Terra Terra-Luna Einstein definì la Gravità come la curvatura che si forma nel tessuto spazio-temporale dovuta alla presenza di masse. 1915

11 Gravità ed Elettromagnetismo Einstein aveva un obiettivo ancora più ambizioso e cioè unificare la Gravità con l Elettromagnetismo le cui leggi erano state formulate con successo intorno alla metà del XIX secolo da Maxwell. Einstein era talmente affascinato dal lavoro di Maxwell al punto tale che pensava che l unificazione tra elettricità e magnetismo fosse uno dei trionfi della fisica. Unificando perciò la Gravità con l EM, Einstein pensava di trovare la teoria unica dell intero Universo. Insomma, Einstein desiderava avere la visione totale.

12 Andando a cercare di unificare la gravità con l elettromagnetismo, Einstein si accorse che c era un problema: La forza di Gravità è triliardi di volte più debole della forza EM e questo gli rese difficile il lavoro di unificazione delle due forze. Intanto

13 La struttura dell atomo.grazie ai progressi tecnologici, negli anni 20 si rivelò un altro volto della natura. Un nuovo gruppo di scienziati, che Einstein definì poi i ragazzi terribili, sconvolse le idee dell Universo di Einstein sull unificazione. Guidati dal fisico danese Niels Bohr, essi presentarono una nuova visione della struttura dell atomo: Bohr

14 La Meccanica Quantistica La Gravità e l Elettromagnetismo non spiegavano la costituzione dell atomo, perché da un lato la G era troppo debole su scale atomiche e l EM era insufficiente. Per spiegare allora la natura della materia, i fisici esplorarono un nuovo e misterioso mondo che fu descritto nella teoria che essi chiamarono meccanica quantistica in grado di descrivere l Universo infinitamente piccolo. Bohr Il mondo è un sistema ordinato e prevedibile A livello di atomi e particelle, il mondo diventa come il gioco delle probabilità, regna l incertezza

15 Heisenberg Il pendolo non si troverà mai nella posizione di equilibrio, fermo. Esisteranno delle piccole fluttuazioni dalla posizione verticale. Perciò la sua posizione vera sarà data da una distribuzione di posizioni. Non è possibile determinare contemporaneamente posizione e velocità di un sistema fisico.

16 Il mondo della meccanica quantistica è quindi indeterminato, incerto. E un mondo bizzarro e pazzo. Facendo un paragone su scala umana, è come se ordinando al bar un cappuccino si viene serviti con una spremuta, anche se c è comunque una probabilità di avere il cappuccino. In altre parole, la meccanica quantistica ci dice che noi potremmo essere serviti con tutti i tipi di bevande calde e con tutti i tipi di spremute contemporaneamente come se questi eventi si verificassero nello stesso istante in tanti universi paralleli e vicini al nostro. Non solo, ma nella meccanica quantistica si possono avere dei fenomeni che sarebbero impossibili da verificarsi in un tempo ragionevole nel nostro Universo (es. attraversamento di muri o barriere). L idea dell imprevedibilità del mondo dei quanti non piaceva certamente ad Einstein che credeva invece ad un mondo prevedibile: Dio non gioca a dadi

17 La forza nucleare forte e la forza nucleare debole Einstein aveva però torto perché quando si studia la natura a livello atomico, bisogna fare i conti con la meccanica quantistica. Di fatto, la meccanica quantistica non è mai entrata in contraddizione con la realtà osservabile. Negli anni 30, la ricerca di Einstein sull unificazione si era quindi arenata e gli scienziati avevano raggiunto la conclusione che la Gravità e l Elettromagnetismo non sono le uniche forze che governano l Universo. Esplorando l atomo, si erano scoperte altre due nuove forze: FORZA FORTE tiene unito il nucleo atomico FORZA DEBOLE decadimento radioattivo

18 Le quattro forze fondamentali Come si integra la Gravità nella visione quantistica del mondo degli atomi?

19 La Gravità e la Meccanica Quantistica La meccanica quantistica spiega come le forze della natura agiscono nell infinitamente piccolo, ma non tratta la Gravità. Nessuno sapeva come si poteva comportare la Gravità su scale atomiche, nessuno cioè riusciva a conciliare la Relatività Generale con la Meccanica Quantistica. Per decenni, i tentativi di descrivere la G con il linguaggio della MQ fallirono

20 Einstein, negli ultimi anni che trascorse a Princeton, continuò a lavorare sull interrogativo che lo appassionava (unificazione della fisica) trascurando gli esperimenti dei fisici teorici sulla natura dell atomo. E come se Egli ignorò la meccanica quantistica che rimase perciò al di fuori dalla sua ricerca. Einstein morì il 18 Aprile 1955 all età di 76 anni e si pensò che il sogno di unificare la Fisica fosse morto con lui. Per anni, non ci furono fisici che si occuparono dell unificazione delle leggi dell Universo.

21 Relatività Generale vs Meccanica Quantistica Dalla morte di Einstein, la Fisica rimase separata come due famiglie che abitano sotto lo stesso tetto e che non si parlano mai:

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23 Su scale macroscopiche lo spazio-tempo è liscio e piano Su scale microscopiche lo spazio-tempo è spigoloso e irregolare

24 Big-Bang 5 miliardi di anni Formazione del Sistema Solare 1 miliardo di anni Formazione di protogalassie 100 sec Nucleosintesi dell He sec Tempo di Planck

25 Oggi, a tanti anni di distanza, l obiettivo di Einstein di riunire le leggi dell Universo in una unica teoria onnicomprensiva, è diventato il Sacro Graal della Fisica Moderna. Il sogno di Einstein si potrà forse realizzare con una nuova teoria fondamentale detta Teoria delle Stringhe che se si rivelerà corretta sarà sconvolgente. I fisici sono convinti di poter riprendere la ricerca di Einstein sulla Per unificazione si intende la formulazione di una legge che descriva ogni cosa conosciuta dell Universo attraverso una unica equazione, detta equazione madre