La Fisica della materia

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1 La Fisica della materia La materia è fatta di atomi. Non si possono spiegare le proprietà della materia senza spiegare come sono fatti gli atomi e come funzionano le interazioni tra atomi.

2 Le scale di lunghezza Nucleo: m Atomo: m Molecola: 10-9 m Parametro reticolare di un cristallo: m

3 Alcune scale di energia Nucleo: Energia di legame/particella 5 MeV Atomo: Energia di legame/elettrone ev Molecola: Energia vibrazionale mev K B T = 25 mev Cristallo: Funzione lavoro 3-4 ev

4 Le interazioni fondamentali Attualmente sappiamo che le interazioni della materia a livello fondamentale sono solo di 4 tipi diversi. Qualitativamente, le interazioni forti e deboli riguardano le scale di lunghezze ed energie caratteristiche dei nuclei, l elettromagnetismo quelle degli atomi e degli aggregati di atomi, la gravitazione i corpi di dimensione macroscopica. Oggetti macroscopici Nuclei atomici Atomi, molecole

5 Il Modello Standard In MC si distinguono due categorie di Leggi. 1. Le Leggi di Newton esprimono le regole generali del moto. Il primo e il secondo Principio descrivono la relazione tra forze e moto; il terzo Principio stabilisce che le forze sono dovute a interazioni tra corpi. 2. Le leggi di forza (Gravitazione universale, forza peso, forza elastica, ) stabiliscono le proprietà fenomenologiche delle forze. Un concetto simile è alla base del Modello Standard: 1. Le leggi della MQR esprimono le regole generali del moto delle particelle e dei campi. 2. Le leggi di interazione (interazione forte, debole, elettromagnetica) stabiliscono le proprietà fenomenologiche delle forze. Il Modello standard non descrive correttamente la Gravitazione universale. Questo limite tecnico impedisce di studiare alcuni fenomeni estremi (la fisica dei buchi neri, ecc.), ma non ha alcun impatto sulla descrizione della materia in condizioni ordinarie (campi gravitazionali deboli). Le proprietà della materia sono descritte correttamente dalla MQR e, in moltissimi casi, dalla versione semplificata della MQNR. Non esiste alcun esperimento che abbia messo in dubbio la validità generale della Meccanica Quantistica. MC = Meccanica Classica MQR = Meccanica Quantistica Relativistica MQNR = Meccanica Quantistica Non Relativistica

6 L elettromagnetismo Quasi tutte le proprietà macroscopiche sono riconducibili alla somma di tante interazioni elettromagnetiche su scala microscopica. Le eccezioni riguardano essenzialmente solo la forza peso e la radioattività. Attrito Forza di adesione Forza elastica Legami chimici, polimerizzazione

7 L elettromagnetismo Le proprietà di trasporto elettrico, le proprietà ottiche e magnetiche, le proprietà termiche dei materiali sono determinate dalla fisica dell elettromagnetismo. Lo studio delle proprietà della materia coincide in buona misura con lo studio delle proprietà elettromagnetiche della materia. Trasporto elettrico Proprietà ottiche Ferromagnetismo Superconduttività

8 L elettromagnetismo è una Teoria di Unificazione Quando una teoria permette di descrivere in modo unitario fenomeni che precedentemente apparivano scollegati, viene detta di unificazione. Si capisce dagli esempi presentati che Leggi di Maxwell siano un importante esempio di teoria di unificazione. Le leggi di Maxwell sono perfettamente compatibili con la MQ e per questo permettono di descrivere tutti i fenomeni dell elettricità, del magnetismo, dell ottica, su qualunque scala di lunghezza e di energia. E M O EM = Elettromagnetismo E = Elettrostatica M = Magnetismo O = Ottica EM

9 Meccanica Classica e Meccanica Quantistica Sul piano storico è difficile definire la meccanica classica. La Fisica ha avuto un evoluzione continua e non si è mai cristallizzata su posizioni canoniche, perché non ce n è stato il tempo. Stabilire una linea di frattura intorno al 1900 è artificioso; come è impossibile distinguere le personalità, perché non c è mai stata una contrapposizione tra Fisici Classici e Fisici Non Classici. Comunque, usare il termine Fisica moderna per parlare di leggi scoperte più di un secolo fa è improprio. La linea di separazione tra meccanica classica e meccanica non classica è basata su due costanti universali: la velocità della luce c e la costante di Planck h. MC Meccanica classica : c = h = 0 MR Meccanica relativistica : c = m s -1 h = 0 MQ Meccanica quantistica non relativistica : c = h = J s MQR Meccanica Quantistica Relativistica: c = m s -1 h = J s Non è invece corretto distinguere tra macro e micro, perché molti fenomeni macroscopici dipendono dalla costante di Planck e in molti fenomeni microscopici sono fondamentali gli effetti relativistici.

10 Il Principio di corrispondenza I punti colorati indicano esperimenti che possono essere descritti dai modelli della MC, MQNR, MRNQ. La MQR è la teoria più completa e permette di descrivere tutti i fenomeni. Alcuni di questi (rossi, azzurro chiaro e ciano) possono essere però anche descritti da teorie più semplici. La MC è la teoria meno completa; permette di descrivere solo la classe ristretta dei fenomeni azzurro chiaro. Il Principio di corrispondenza stabilisce che ogni teoria più ampia si debba ricondurre esattamente alla teoria più ristretta quando studia i fenomeni ristretti. Ad esempio, quando la MRNQ è usata per descrivere i fenomeni azzurro chiaro, le sue leggi diventano identiche a quelle della MC. Scegliere sempre la teoria più semplice è una strategia vantaggiosa ed epistemologicamente corretta. MC = Meccanica Classica MRNQ = Meccanica Relativistica Non Quantistica MQNR = Meccanica Quantistica Non Relativistica MQR = Meccanica Quantistica Relativistica

11 L evoluzione storica della Fisica della materia La Fisica della materia si è evoluta nel corso del XX secolo, passando gradualmente dalla descrizionedella MC a quella della MQ Modelli classici Thompson, Rutherford Modelli semiclassici Bohr La quantizzazione Meccanica ondulatoria De Broglie Particelle e onde Meccanica Quantistica Feynman, Schrödinger Probabilità Le teorie classiche e semiclassiche possono sono utili sul piano didattico per descrivere qualitativamente alcuni fenomeni, ma non sono adatte alla descrizione quantitativa della Fisica della materia. La MQ non relativistica è adatta a descrivere molte proprietà della Materia, a patto di introdurre alcune correzioni relativistiche e di accettare come dati di fatto alcuni risultati che possono essere dimostrati dalla MQR.

12 La Meccanica Quantistica non Relativistica La MQ è difficile? Come parlare di MQ? La MQ è basata su due principi chiave: 1. I fenomeni sono determinati da meccanismi probabilistici 2. La probabilità dei fenomeni quantistici non segue le regole della probabilità classica

13 La Meccanica Quantistica non Relativistica La MQ è difficile? Come parlare di MQ? 1. I fenomeni quantistici non sono difficili. I fenomeni si raccontano. orttica chimica elettronica 2. I modelli matematici sono un po più difficili. La matematica si usa. H ψ > = ih ψ > t 3. La base epistemologica è molto difficile. Noi tentiamo di capire la MQ confrontandola col mondo macroscopico che abbiamo sotto gli occhi, ma questo tentativo è destinato a fallire.

14 La Meccanica Quantistica non Relativistica La MQ è difficile? Come parlare di MQ? 1. La base sperimentale è fondamentale. Si deve essere in grado di raccontare i fenomeni. orttica chimica elettronica 2. La matematica può essere tenuta a un livello accettabile rinunciando alle dimostrazioni. Invece di risolvere le equazioni si possono verificare le soluzioni. H ψ > = ih ψ > t 3. Si deve accettare l idea che capire la MQ significa esclusivamente essere in grado di prevedere/giustificare matematicamente i risultati degli esperimenti. Si deve rinunciare a cercare analogie con la MC, ma si possono trovare alcune analogie con EM e Ottica.

15 La Meccanica Quantistica non Relativistica La MQ è difficile? Come parlare di MQ? Capire la MQ significa esclusivamente essere in grado di prevedere/giustificare matematicamente i risultati degli esperimenti. Ma questa non è una posizione culturale insoddisfacente? La Fisica studia le grandezze fisiche, cioè gli enti caratterizzati dalle definizioni operative. Le definizioni operative prescrivono come associare agli enti le loro misure; cioè, in altri termini, come associare numeri agli osservabili. Tutto lo sviluppo concettuale della Fisica è basato su quei numeri. In nessun modo la Fisica si occupa mai della natura ontologica degli enti. Questa posizione è comune a MC, MQ e a tutte le branche della Fisica. Dunque la risposta è no, la MQ non ci mette in una posizione culturale meno soddisfacente della MC. Al contrario, condivide con la MC un approccio radicale allo studio della Natura, limitando ogni forma di analisi a quantità descritte da numeri.