La realtà non è sempre come ci appare

La realtà non è sempre come ci appare Il pensiero scientifico in a nutshell Prof. Daniela Rebuzzi email: daniela.rebuzzi@cern.ch home page: http://www2.pv.infn.it/~rebuzzi/ KIRO: http://elearning1.unipv.it/chimica/course/view.php?id=15 Fisica Sperimentale con Laboratorio Lezione Introduttiva, 3 Marzo 2015

Abbiamo sempre visto il mondo così? Grecia, VI secolo a.c: Talete, Anassimandro, Ecateo e la loro scuola di Mileto Io vi scrivo cose che a me sembrano vere; perchè i racconti dei Greci mi sembrano pieni di contraddizioni e ridicoli. La Terra galleggia nel cielo e il cielo continua anche sotto la Terra, l acqua della pioggia viene dall evaporazione terrestre, l uomo si è evoluto da altri animali Leucippo e Democrito Il mondo intero è formato da uno sterminato spazio vuoto, nel quale sono presenti innumerevoli atomi, indivisibili, grani elementari della realtà Opinione il dolce, opinione l amaro, opinione il caldo, opinione il freddo, opinione il colore: in realtà soltanto gli atomi e il vuoto Il mondo può essere compreso con la ragione i primi atomisti della storia 2

Abbiamo sempre visto il mondo così? Magna Graecia, VI-V secolo a.c: Pitagora (ripreso in Platone) È il numero che governa le forme e le idee Il linguaggio adatto per comprendere e descrivere il mondo è la matematica intuizione immensa, una delle ragioni del successo della scienza occidentale! Platone e Eudosso, Aristarco e Ipparco, suoi discepoli Si può trovare una matematica capace di descrivere e predire i movimenti dei corpi celesti che vediamo nel cielo notturno? la domanda dalla quale sarebbe emersa la scienza moderna Alessandria, I secolo d.c: Tolomeo, Almagesto L intuizione di Pitagora funziona, la matematica permette di descrivere il mondo (i corpi celesti) e di prevedere il futuro 3

Le rivoluzioni del XVII secolo Più di un millennio dopo, nel 1600 Copernico Applica il sistema tolemaico ponendo il Sole al centro mentre la Terra, insieme agli altri pianeti, orbita intorno ad esso Keplero Poche nuove e semplici leggi matematiche descrivono esattamente il movimento dei pianeti intorno al Sole Galileo Se la Terra è un pianeta come gli altri, anch essa fa parte del cielo e quindi anche sulla Terra devono esistere leggi matematiche precise che governano il moto degli oggetti Sensate esperienze e dimostrazioni necessarie - pone le basi del metodo scientifico ed esegue esperimenti: i corpi non cadono a velocità costante, ma ad accelerazione costante! Newton Anche la Luna risente della stessa accelerazione: se l effetto è uguale, anche la causa deve essere la stessa - la causa che fa girare la Luna sulla sua orbita deve essere la stessa causa che fa cadere i corpi sulla Terra! La Gravità.. D un tratto, dopo millenni, non c è più separazione tra il cielo e la Terra! sovvertimento di tutto lo schema mentale del mondo aristotelico, la visione del mondo che era stata dominante fino a quel momento! 4

Il mondo di Newton Un immenso spazio indifferenziato, uguale a se stesso, dove si muovono particelle che esercitano forze a distanza una sull altra È il mondo di Democrito matematicizzato Newton si rendeva conto che dietro l azione a distanza della forza di gravità ci doveva essere qualcosa d altro, ma lascia la questione... alla considerazione dei suoi lettori Newton Spazio Tempo Particelle I fenomeni (macroscopici) osservabili in natura sono governati da un una sola altra forza, oltre alla gravità: la forza che oggi chiamiamo elettromagnetica Per chiarire il funzionamento di questa forza dobbiamo apportare una modifica importante al mondo di Newton, il concetto di campo 5

Il Campo Elettromagnetico Fine del XIX secolo Faraday, Maxwell Non bisogna pensare a forze che agiscono direttamente tra oggetti distanti, bisogna pensare ad un entità diffusa ovunque nello spazio che viene modificata dai corpi elettrici e magnetici e che, a sua volta, agisce su corpi elettrici e magnetici, il campo elettromagnetico Le equazioni di Maxwell due cariche elettriche non si attirano o si respingono direttamente, ma lo fanno attraverso un mezzo che si interpone tra loro Newton Spazio Tempo Particelle Faraday-Maxwell Spazio Tempo Campi Particelle Il mondo è cambiato: non è più fatto di particelle nello spazio, ma di particelle e campi che si muovono nello spazio 6

Le rivoluzioni del XX secolo Le equazioni di Maxwell determinano una velocità, la velocità della luce nel vuoto, fissa e non superabile, ma la meccanica di Newton non era compatibile con l esistenza di una velocità fissa, identica in ogni sistema di riferimento Einstein, 1905: Relatività Ristretta, concetto di spazio-tempo Newton Spazio Tempo Particelle Faraday-Maxwell Spazio Tempo Campi Particelle Einstein 1905 Spaziotempo Campi Particelle Einstein, 1915: anche la gravità deve essere esprimibile in forma di campo, il campo gravitazionale 10 anni per scrivere le sue equazioni - nasce la più bella delle teorie: la Relatività Generale qui inizia la vera, grande magia della nuova fisica del XX secolo.. 7

La Relatività Generale Einstein raccoglie due problemi: come descrivere il campo gravitazionale? Che cos è lo spazio come pensato da Newton? Lo spazio di Newton non è nient altro che il campo gravitazionale, il campo gravitazionale è lo spazio (ma non è fisso alla Newton, si muove, ondeggia, soggetto ad equazioni, come il campo di Maxwell, come le linee di Faraday) Newton Spazio Tempo Particelle Faraday -Maxwell Spazio Tempo Campi Particelle Einstein 1905 Spaziotempo Campi Particelle Einstein 1915 Campi Particelle Il Sole con la sua massa piega lo spazio (in realtà lo spaziotempo) intorno a sè e la Terra non gli gira intorno perchè tirata da una misteriosa forza a distanza, ma perchè corre diritta in uno spazio curvo, come una pallina rotola in un imbuto 8

La Meccanica Quantistica Planck, Einstein, Bohr, Heisenberg, Dirac Nell infinitamente piccolo, la natura non è deterministica ma segue leggi probabilistiche: probabilità che accada un evento, probabilità che una particella sia localizzata in una data regione di spazio Non solo le particelle sono diffuse nello spazio come dei campi, ma anche i campi interagiscono come particelle: le nozioni di campo e particella, separate da Faraday e Maxwell, finiscono per ricongiungersi nella meccanica quantistica Il tutto può essere reso coerente con la relatività ristretta (teoria quantistica dei campi) Newton Spazio Tempo Particelle Faraday-Maxwell Spazio Tempo Campi Particelle Einstein 1905 Spaziotempo Campi Particelle Meccanica Quantistica Spaziotempo Campi quantistici 9

Dove siamo adesso: il Modello Standard Descritte da una teoria quantistica dei campi che va sotto il nome di Modello Standard Unificate ad una scala di energia che possiamo raggiungere in laboratorio, ad LHC funzionante al CERN di Ginevra Questa unificazione è strettamente connessa alla scoperta del bosone di Higgs avvenuta nel 2012 al CERN 10

Dove siamo adesso: il Modello Standard Unici costituenti della materia ordinaria Previsto dal Modello Standard Scoperto al CERN nel 2012 11

Problemi aperti: il futuro Il campo gravitazionale non è incluso nel Modello Standard manca una descrizione quantistica della gravità Asimmetria materia-antimateria Dark matter, dark energy Massa dei neutrini Etc. etc. http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_unsolved_problems_in_physics LHC 10-12 s 12