L arcobaleno secondo Feynman. Breve storia della QED Prof. Alex Casanova 1 1 Gruppo Divulgazione Scientifica Dolomiti E. Fermi Dolomiti in Scienza 2015 Belluno 24/01/2015 A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 1 / 32
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2015: Anno Internazionale della Luce http://www.light2015.org/home.html A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 4 / 32
Ricorrenze Prima ricorrenza: nel 1955 viene assegnato il premio Nobel a Willis E. Lamb per le sue scoperte riguardanti la struttura fine dello spettro dell idrogeno [4]. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 5 / 32
Ricorrenze Seconda ricorrenza: nel 1965 viene assegnato il premio Nobel a Richard P. Feynman per il suo fondamentale lavoro nel campo dell elettrodinamica quantistica, con profonde conseguenze per la fisica delle particelle elementari [4]. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 5 / 32
Obiettivi L arcobaleno diventa un pretesto per ripercorrere brevemente, attraverso l opera di Feynman, la storia della luce e della QED così da capire: come funziona la Natura; come alla base della nostra comprensione ci possa essere una strana e bizzarra teoria. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 6 / 32
La fisica dell arcobaleno La luce del Sole viene riflessa e rifratta da una gocciolina di acqua sospesa in aria [3]. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 7 / 32
La fisica dell arcobaleno La luce del Sole viene riflessa e rifratta da una gocciolina di acqua sospesa in aria [3]. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 7 / 32
La legge della rifrazione Willebrord Snel (detto Snellius) (1580-1626) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 8 / 32
Luce: onda o corpuscolo? Un po di storia: 1021: Ibn Al-Haytham nel suo Libro dell ottica enuncia la legge di rifrazione, pensando alla luce come un corpuscolo; 1600: prima Cartesio (1637), poi Huygens (1690) promuovono la natura ondulatoria della luce; 1704: Newton afferma che la luce ha natura corpuscolare; 1804: grazie all esperimento di Young, torna alla ribalta la teoria ondulatoria; 1827: Fresnel contribuisce a rafforzare l idea di una natura ondulatoria della luce (come onda trasversale). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 9 / 32
Luce: onda o corpuscolo? Un po di storia: 1021: Ibn Al-Haytham nel suo Libro dell ottica enuncia la legge di rifrazione, pensando alla luce come un corpuscolo; 1600: prima Cartesio (1637), poi Huygens (1690) promuovono la natura ondulatoria della luce; 1704: Newton afferma che la luce ha natura corpuscolare; 1804: grazie all esperimento di Young, torna alla ribalta la teoria ondulatoria; 1827: Fresnel contribuisce a rafforzare l idea di una natura ondulatoria della luce (come onda trasversale). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 9 / 32
Luce: onda o corpuscolo? Un po di storia: 1021: Ibn Al-Haytham nel suo Libro dell ottica enuncia la legge di rifrazione, pensando alla luce come un corpuscolo; 1600: prima Cartesio (1637), poi Huygens (1690) promuovono la natura ondulatoria della luce; 1704: Newton afferma che la luce ha natura corpuscolare; 1804: grazie all esperimento di Young, torna alla ribalta la teoria ondulatoria; 1827: Fresnel contribuisce a rafforzare l idea di una natura ondulatoria della luce (come onda trasversale). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 9 / 32
Luce: onda o corpuscolo? Un po di storia: 1021: Ibn Al-Haytham nel suo Libro dell ottica enuncia la legge di rifrazione, pensando alla luce come un corpuscolo; 1600: prima Cartesio (1637), poi Huygens (1690) promuovono la natura ondulatoria della luce; 1704: Newton afferma che la luce ha natura corpuscolare; 1804: grazie all esperimento di Young, torna alla ribalta la teoria ondulatoria; 1827: Fresnel contribuisce a rafforzare l idea di una natura ondulatoria della luce (come onda trasversale). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 9 / 32
Luce: onda o corpuscolo? Un po di storia: 1021: Ibn Al-Haytham nel suo Libro dell ottica enuncia la legge di rifrazione, pensando alla luce come un corpuscolo; 1600: prima Cartesio (1637), poi Huygens (1690) promuovono la natura ondulatoria della luce; 1704: Newton afferma che la luce ha natura corpuscolare; 1804: grazie all esperimento di Young, torna alla ribalta la teoria ondulatoria; 1827: Fresnel contribuisce a rafforzare l idea di una natura ondulatoria della luce (come onda trasversale). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 9 / 32
Luce: onda o corpuscolo? Un po di storia: 1021: Ibn Al-Haytham nel suo Libro dell ottica enuncia la legge di rifrazione, pensando alla luce come un corpuscolo; 1600: prima Cartesio (1637), poi Huygens (1690) promuovono la natura ondulatoria della luce; 1704: Newton afferma che la luce ha natura corpuscolare; 1804: grazie all esperimento di Young, torna alla ribalta la teoria ondulatoria; 1827: Fresnel contribuisce a rafforzare l idea di una natura ondulatoria della luce (come onda trasversale). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 9 / 32
La parola di Maxwell Nel 1865, Maxwell sembra mettere fine al dibattito, dettando le sue famose equazioni: James Clerk Maxwell (1831-1879) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 10 / 32
Feynman giovane studente Feynman giovane studente: Far Rockaway High School (New York) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 11 / 32
Feynman e Fermat Il professore di fisica di Feynman introdusse il suo giovane e annoiato studente al Principio di Fermat, un modo alternativo per spiegare la riflessione e la rifrazione della luce: quando un raggio luminoso si propaga da un punto a un altro, segue il percorso lungo il quale impiega il tempo minore Pierre de Fermat (1601-1665) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 12 / 32
Feynman studente universitario Fra il 1935 e il 1942, Feynman completa i suoi studi universitari, prima con la laurea al MIT, poi con il dottorato a Princeton. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 13 / 32
Feynman studente universitario La rivoluzione in fisica: la meccanica quantistica aveva introdotto il concetto di quanto di energia; la meccanica quantistica aveva introdotto il concetto di probabilità; esperimenti come l effetto fotoelettrico o l effetto Compton avevano restituito dignità al modello corpuscolare della luce. Arthur Holly Compton (1892-1962) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 14 / 32
Dirac e la QED 1927-1928: Paul Adrien Maurice Dirac formula la prima versione dell elettrodinamica combinando Meccanica Quantistica e Relatività Speciale. In questo modo: risolve il problema della natura della luce e della sua interazione con la materia; prevede una struttura fine dello spettro dell atomo di idrogeno. Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 15 / 32
La conferenza di Shelter Island 2-4 giugno 1947: Congresso a Shelter Island. Shelter Island: località di mare vicino a New York dove si trova la Ram s Head Inn, sede dello storico congresso di fisica delle particelle del 1947. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 16 / 32
La conferenza di Shelter Island 2-4 giugno 1947: Congresso a Shelter Island. Lamb, Wheeler, Pais, Feynman, Feshbach e Schwinger a Shelter Island nel 1947. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 16 / 32
La conferenza di Shelter Island Le teoria di Dirac presentava dei limiti sperimentali e teorici: il Lamb shift (1947); la catastrofe ultravioletta. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 17 / 32
La conferenza di Shelter Island Le teoria di Dirac presentava dei limiti sperimentali e teorici: il Lamb shift (1947); la catastrofe ultravioletta. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 17 / 32
La conferenza di Shelter Island Le teoria di Dirac presentava dei limiti sperimentali e teorici: il Lamb shift (1947); la catastrofe ultravioletta. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 17 / 32
La conferenza di Shelter Island Le teoria di Dirac presentava dei limiti sperimentali e teorici: il Lamb shift (1947); la catastrofe ultravioletta. A causa della sua estrema complessità, molti fisici saranno felici di vederne la fine, Dirac a proposito QED, 1937. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 17 / 32
Dirac e Feynman Paul A. M. Dirac (a sinistra) e Richard Feynman (a destra) A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 18 / 32
Feynman e la QED Ripeto: la luce si presenta sotto forma di particelle. È molto importante chiarire questo punto, specialmente per chi è andato a scuola, dove probabilmente gli è stato insegnato che la luce si comporta come un onda. Io vi dico invece che la luce si comporta come una particella. R. Feynman. QED. La strana teoria della luce e della materia, pag. 30, 1985. [1] A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 19 / 32
Feynman e la QED L elettrodinamica quantistica risolve questa dualità ondulatorio-corpuscolare asserendo che la luce è formata da particelle. [...] Tuttavia, questo enorme progresso della scienza ha avuto come prezzo una ritirata della fisica che ora è in grado di calcolare solo la probabilità che un dato fotone colpisca il rivelatore, senza offrire un buon modello intuitivo di come ciò avvenga effettivamente. R. Feynman. QED. La strana teoria della luce e della materia, pag. 56, 1985. [1] A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 20 / 32
Feynman e la QED Partiamo dalla riflessione della luce: A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 21 / 32
Feynman e la QED La riflessione della luce per Feynman: A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 21 / 32
Feynman e la QED Riscopriamo il principio di Fermat: A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 22 / 32
Feynman e la QED Fotoni, elettroni e loro interazione. I diagrammi di Feynman: A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 23 / 32
Feynman e la QED Riflessione, rifrazione, arcobaleno: la luce interagisce con gli elettroni della materia (diffusione elettrone-fotone): A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 24 / 32
Feynman e la QED L atomo di idrogeno, secondo Feynman: L elettrone danza attorno al protone grazie al continuo scambio di fotoni. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 25 / 32
Feynman e la QED Le correzioni alla propagazione del fotone: Queste correzioni comportano una variazione dell intensità dell interazione elettrone-protone nell atomo di idrogeno (livelli energetici). A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 26 / 32
Feynman e la QED Le correzioni alla propagazione dell elettrone: L elettrone è circondato da una nuvola di particelle. Ciò che misuriamo sono la massa e la carica dell elettrone vestito, mentre nei calcoli divergenti usiamo la massa e la carica dell elettrone nudo. A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 27 / 32
Conclusioni [...] finora la teoria dell elettrodinamica quantistica non ha rivelato alcuna pecca, ed è quindi, direi, il gioiello della fisica, la creatura di cui andare fieri. La ricchezza filosofica, la facilità, la ragionevolezza di una teoria sono tutte cose che non interessano. Dal punto di vista del buon senso l elettrodinamica quantistica descrive una Natura assurda. Tuttavia è in perfetto accordo con i dati sperimentali. R. Feynman. QED. La strana teoria della luce e della materia, pag. 23 e 25, 1985. [1] A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 28 / 32
Conclusioni Dunque non sussiste alcun dubbio di carattere sperimentale relativamente a questo schema; si possono avere dubbi filosofici a iosa sul significato da dare alle ampiezze [...], ma la fisica è una scienza sperimentale e poiché tale schema dà risultati in accordo con gli esperimenti, noi fisici, almeno finora, ne siamo più che soddisfatti. Feynman, Paine Mansion Woods, 1984. c Tamiko Thiel. R. Feynman. QED. La strana teoria della luce e della materia, pag. 155-156, 1985. [1] A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 29 / 32
Conclusioni Feynman e la sua passione per i bonghi, ripresa anche in un episodio della serie televisiva The Big Bang Theory A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 30 / 32
Bibliografia R. Feynman. QED. La strana teoria della luce e della materia. Gli Adelphi, Adelphi Edizioni, 2010. L. Krauss. L uomo dei quanti. La Biblioteca delle Scienze, Le Scienze, 2011. Sito molto bello per capire la fisica dell arcobaleno: http://www.lorenzoroi.net/arcobaleno/ Il sito della Fondazione Nobel: http://www.nobelprize.org/ Il sito delle famose lezioni di Feynman: http://www.feynmanlectures.caltech.edu/ A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 31 / 32
Contatti Sito internet: www.gdsdolomiti.org Indirizzo e-mail: info.gdsdolomiti@gmail.com A. Casanova (GDS Dolomiti E. Fermi ) L arcobaleno secondo Feynman Belluno 24/01/2015 32 / 32