Qualche cenno al Sole

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1 Qualche cenno al Sole Corso di Astronomia Daniele Gasparri Lezione 5, 13/01/2012: Il bizzarro comportamento della Natura - Il comportamento dell infinitamente piccolo - Tempo e spazio nell Universo 1

2 I nostri sensi: magnifici ma. Noi percepiamo il mondo secondo i nostri sensi: Il tempo scorre sempre uguale La materia e l energia sono due cose ben distinte La lunghezza di un oggetto indeformabile è sempre la stessa, a prescindere da chi la misura Le particelle che costituiscono la materia hanno lo stesso comportamento della materia che compongono 2

3 limitati Ma il mondo, l Universo, sono realmente quello che ci mostrano i nostri sensi? La percezione che abbiamo dell Universo rappresenta semplicemente la migliore combinazione che ci permette di vivere al meglio su questo pianeta, non necessariamente per comprenderlo L essenziale è nascosto alla vista 3

4 L infinitamente piccolo: l atomo Se prendo un qualsiasi oggetto e lo divido in parti sempre più piccole, alla fine giungo ai costituenti primi della materia, non più indivisibili? Concetto filosofico di atomo, ideato dagli antichi greci Ma l atomo esiste? E come è fatto realmente? 4

5 L infinitamente piccolo: l atomo Gli atomi esistono e li possiamo fotografare! Definizione moderna: la più piccola entità costituente della materia 5

6 L infinitamente piccolo: l atomo Come è fatto un atomo? Nucleo centrale, piccolissimo, nel quale si trovano particelle dette protoni (di carica positiva) e neutroni (neutri) Attorno al nucleo carico positivamente, orbitano delle particelle di carica negativa, dette elettroni. L atomo non è indivisibile: è solo l inizio dell infinitamente piccolo! Può funzionare il modello planetario per spiegare l atomo? 6

7 L infinitamente piccolo: l atomo Facciamo una breve riflessione: Tutte le particelle cariche, sottoposte ad accelerazione, emettono onde elettromagnetiche Gli elettroni che orbitano attorno al nucleo sono sottoposti ad una continua accelerazione: essi dovrebbero emettere energia e precipitare sul nucleo in 10^-17 secondi Gli atomi sono stabili nel tempo (fortunatamente!) Siamo arrivati ad un paradosso: gli atomi esistono ma secondo le nostre leggi non dovrebbero. La Natura non contempla i paradossi: sicuramente abbiamo sbagliato qualcosa noi 7

8 L infinitamente piccolo: l atomo Dov è l errore? L atomo è qualcosa di diverso rispetto alle esperienze fatte con gli oggetti macroscopici L atomo non si può descrivere in base all esperienza che abbiamo, obbedisce a leggi particolari NO! 8

9 L infinitamente piccolo: l atomo Come funziona veramente? Niels Bohr: Gli elettroni degli atomi si trovano su delle orbite stabili, che non emettono energia. Le orbite degli elettroni sono fissate dalla Natura e non possono assumere tutti i valori possibili. Tutti gli atomi dell Universo funzionano in questo modo 9

10 L infinitamente piccolo: l atomo Una curiosità: Cosa rispondereste alla domanda: qual è l ingrediente principale della materia? Le particelle che compongono gli atomi hanno dimensioni volte inferiori rispetto al raggio totale dell atomo Un bicchiere contenente solo una goccia d acqua, per voi è pieno è vuoto? Un atomo è per il 99,99% vuoto! Per fortuna, altrimenti un cucchiaio di materia avrebbe pesato qualcosa come kg! 10

11 Il nucleo atomico Come è fatto un nucleo atomico? Protoni strettamente legati gli uni agli altri, in uno spazio inferiore a 10^-15 m Come fanno a stare insieme se si dovrebbero respingere con una forza pari a quella di una montagna sulla vostra testa? Forza forte: un tipo di forza che agisce tra le particelle dei nuclei atomici, attrattiva e 100 volte più forte della forza elettromagnetica 11

12 Il dualismo onda-particella Cosa è un onda e cosa una particella? La nostra esperienza è chiara: un onda non trasporta materia ma energia, è un fenomeno periodico che si ripete nel tempo Una particella è qualcosa di solido, che si propaga nello spazio in linea retta, è fatta di materia, quindi ha una forma definita. 12

13 Il dualismo onda-particella Questo è un fotone: Onda o particella? Quando colpisce un particolare metallo, la luce riesce a strappare particelle, come se fosse composta da palline che viaggiano in linea retta Quando entra in una stretta fenditura, si comporta come un onda, modificando la sua forma e cambiando proprietà, come se non fosse composta da particelle materiali. Anche il suono è un onda 13

14 Il dualismo onda-particella Questo è un elettrone quando attraversa una stretta fenditura: Onda o particella? Lunghezza d onda di De Broglie: Tutte le particelle possono comportarti come un onda; tutte le onde possono comportarsi come particelle (vedi la luce) La distinzione tra onde e corpi solidi non è quindi più così netta 14

15 Il principio di indeterminazione Una particella, per quanto piccola, è sempre identificata nello spazio e nel tempo. Foto di un elettrone lungo l orbita attorno al nucleo atomico. Dov è? 15

16 Il principio di indeterminazione Principio di indeterminazione di Heisenberg: Non è possibile conoscere con una precisione arbitraria una coppia di grandezze collegate, come ad esempio posizione e velocità. Le particelle diventano quindi delle nuvole di probabilità, impossibili da mettere a fuoco Il mondo sub-atomico vuole restare nascosto, a prescindere da chi e come osserva! L elettrone è ovunque: non si parla più di posizione ma di probabilità (nuvola di probabilità) 16

17 Nulla è casuale in Natura Il principio di indeterminazione Il principio di indeterminazione, ad esempio, è alla base della fusione nucleare all interno delle stelle Solo una curiosità? Effetto tunnel: Una particella può attraversare una barriera impenetrabile, anche senza averne l energia 17

18 Principi di meccanica quantistica Le grandezze associate alle onde elettromagnetiche e alle particelle atomiche non possono assumere valori arbitrari, ma sono fissate dalla Natura. Tutti i valori sono multipli interi di queste grandezze di base Il mondo sub-atomico non si lascia osservare con precisione assoluta: il comportamento delle particelle si studia con la probabilità. Non vi è più la distinzione tra onde e particelle; queste sono manifestazioni diverse che possono verificarsi a seconda dei casi 18

19 Il concetto di velocità La velocità di un oggetto dipende dal moto dell osservatore: Moto di un sasso lanciato da una macchina Moto di un treno alla stazione Moto di un proiettile L accelerazione invece, non cambia se cambiamo punto di osservazione 19

20 Il concetto di velocità Non esiste il concetto di velocità assoluta Osservatori che si muovono di moto rettilineo ed uniforme sperimentano le stesse leggi fisiche Il concetto di velocità è sempre relativo tra due sistemi di riferimento. Anche la velocità di una qualsiasi onda dipende dal moto dell osservatore rispetto al mezzo di propagazione 20

21 Le onde elettromagnetiche Le equazioni di Maxwell (fine 800) di dicono tutto del comportamento della Luce. 4 equazioni che descrivono tutti i fenomeni elettromagnetici dell Universo 21

22 Le onde elettromagnetiche: cosa sono? Propagazione nello spazio delle informazioni sulla variazione del campo elettrico e magnetico di una carica qualsiasi. Un onda si genera quindi quando il campo elettrico rispetto ad un punto varia in modo periodico, generando un campo magnetico a sua volta variabile 22

23 La velocità della luce Tutte le onde hanno bisogno di un mezzo per propagarsi: Le onde sonore si propagano alla velocità del suono rispetto all aria. Anche le onde elettromagnetiche devono propagarsi rispetto ad un mezzo, ad una velocità di propagazione fissata Ma non esiste una velocità assoluta e tutte le onde si propagano rispetto ad un mezzo. Rispetto a quale mezzo si propaga la luce? 23

24 L etere La luce si propaga attraverso l etere, un fluido che permea tutto l Universo, alla stregua del suono per l aria. Esiste l etere? L etere non esiste! 24

25 Una sorpresa inaspettata Le onde elettromagnetiche non hanno bisogno di un mezzo materiale per propagarsi; il loro mezzo è lo spazio ed il tempo stessi L esperimento, però, ha messo in luce un fatto molto importante: La velocità della luce è una costante della Natura, ed è la stessa per ogni osservatore 25

26 La costanza della velocità della luce: Un mio amico fa partire un raggio laser: esso si muove a km/s Se io lo rincorro a km/s (rispetto al mio amico fermo), quale sarà la velocità che misuro del raggio? = km/s? Capiamo meglio NO! Anche io misurerò sempre km/s Anche se rincorressi il raggio a km/s, rispetto a me viaggerebbe sempre a km/s Ma avrebbe la stessa velocità anche rispetto al mio amico fermo a terra. 26

27 La velocità della luce Qual è l unico modo possibile per mantenere costante la velocità della luce per ogni osservatore? La velocità è data dal rapporto tra lo spazio percorso nel tempo impiegato Se la velocità della luce è la stessa per due osservatori che si muovono a grande velocità tra di loro, allora vuol dire che devono variare il tempo e lo spazio affinché la velocità della luce misurata sia la stessa per i due osservatori. E possibile, quindi, che tempo e spazio si accordano affinché la velocità della luce resti costante per ogni osservatore? 27

28 Principi di una realtà sorprendente La velocità della luce è costante per ogni sistema di riferimento Le leggi della fisica valgono allo stesso modo per tutti gli osservatori e per tutto l Universo TEORIA DELLA RELATIVITA RISTRETTA 28

29 Conseguenze: il tempo Flusso di eventi che scorre uguale per tutto l Universo, immodificabile. (Newton) NO! Il tempo dell Universo è una grandezza variabile a seconda della velocità relativa degli osservatori. Un osservatore fermo che vede un altro in movimento, misura un tempo dilatato rispetto al proprio 29

30 Il diverso scorrere del tempo: le prove Particelle prodotte dai raggi cosmici (muoni) nell alta atmosfera Neutroni liberi provenienti dalla sorgente Cygnus X- 3 distante anni luce Vita delle particelle instabili negli acceleratori 30

31 La contrazione delle lunghezze La lunghezza di un oggetto visto in moto relativistico si contrae dello stesso fattore con cui si dilata il tempo Un oggetto visto in moto è tanto più corto quando maggiore è la sua velocità rispetto all osservatore 31

32 Effetti sulla vita pratica La dilatazione dei tempi e la contrazione delle lunghezze si verificano solamente per grandi velocità relative e non sono quindi alla portata delle nostre comuni esperienze Ciò non toglie che nell Universo questi fenomeni siano importanti, quindi necessari per comprenderne il funzionamento Gli effetti si misurano solamente attraverso un confronto tra differenti situazioni di movimento. Proprio come il moto rettilineo uniforme, impossibile da riconoscere dall interno, il proprio tempo ed il proprio spazio non variano quando siamo noi a muoverci. 32

33 La massa e l energia Massa ed energia sono rappresentazioni di una stessa grandezza, detta massa-energia La massa è energia e l energia è massa, secondo la relazione Prove? L energia emessa da ogni processo nucleare deriva dalla perdita di massa delle particelle coinvolte 33

34 Tempo e spazio: una rete elastica Tempo e spazio sono legati, perché ad una dilatazione dell uno corrisponde una contrazione dell altro affinché la velocità della luce sia sempre costante. Non cambiano però solo i valori associati agli intervalli di tempo e di spazio, ma anche la loro geometria Tempo e spazio sono una rete elastica modellata dalla presenza di grandi masse (stelle, galassie) 34

35 Altre curiosità in pillole Circa il 90% della materia che costituisce l Universo non si conosce e non si osserva: materia oscura Circa il 70% dell energia totale dell Universo non si conosce: energia oscura Il vuoto ha un energia. A causa del principio di indeterminazione di creano continuamente particelle L antimateria è la materia fatta al contrario, si può creare ma non esiste naturalmente: perché? Non abbiamo risposte a tutto L unica certezza è che l Universo è molto più complicato di quanto i nostri sensi ci mostrano 35