fisica: da galileo a higgs. uno stesso metodo, sempre nuove...
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Stefano Atzeni
Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria (SBAI) Università di Roma “La Sapienza” e CNISM
Incontro Direzione Medica Abbvie Roma, 14.1.2014
Fisica: da Galileo a Higgs. Uno stesso metodo, sempre nuove frontiere
stefano.atzeni@uniroma1.it http://gaps.ing2.uniroma1.it/atzeni
RicercheinFisica
• pianoinclinatodiGalileoerivelatorialCERN• galassieepar5celleelementari• ...• materiacompressaegasrarefa9• materiaamiliardidigradie(quasi)allozeroassoluto• isolan5esupercondu?ori• ...• puraconoscenzaeapplicazioni
• misureaocchionudoeconstrumen5sofis5ca5ssimi
Checosahannoincomune?
LaFisicamiraa
stabilirerelazioniquan4ta4vefragrandezzemisurabili
• quan5ta5ve=>matema4ca
Lafilosofiaèscri,ainquestograndissimolibrochestadinanziagliocchi(iodicol’universo)manonsipuòintendereseprimanonsiimparaaintenderelalinguane’qualièscri,o.Eglièscri*oinlinguamatema2ca.(G.Galileo)
• misurabili=>strumen4dimisura
• relazionifragrandezze=>nonspiegazionimetafisicheHypotesesnonfingo(I.Newton)
+curiosità,intuizione,crea4vità+compe4zione,confronto,collaborazione
unpomeriggiodigennaio1684:unascommessafratregen5luomini,socidellaRoyalSociety
E.Halley C.Wren R.Hooke
Lascommessa
Assumendoche
duecorpiceles@sianoa,raAdaunaforzainversamenteproporzionalealquadratodellalorodistanza,
ricavarelatraie,oriadiciascunodeicorpi.
HalleyincontraNewton.ENewton:“Holarisposta;letraie?oriesonoellissi”.
Mahasmarrito(!)ladimostrazione.
Treannidopo
• Gravitazioneuniversale• Principidelladinamica• VerificadelleleggiKeplero(Ilegge:orbiteelli9che)• Peso=forzadigravità
gravitazioneUNIVERSALE:
lamelaelaluna,passandoperilcannone
Newtongenio,ma“Ontheshouldersofgiants”
• Galileo:accelerazionedigravità• Brahe:da5sulmotodeipiane5• LeggidiKeplero• Huygens:accelerazionecentripeta(dellaluna)
• Newtonstesso(!!!!):calcolointegraleedifferenziale
‐ ilcontributo(vediscommessa)distudiosidivariedisciplineèunacostantenellegrandi“rivoluzioniscien5fiche”:
• Watson,CrickeFranklin(DNA)• Modigliani,Black&Scholes,Feynmann(op5onpricing)• vonNeumann,Turing,ele?ronici(calcolatoridigitali)• .....
Lemisure,ovvero“cercaredovec’èluce,
illuminareciòcheèbuio”
Inunastradabuia,un@zio,evidentementeubriaco,cercaaffannosamenteunachiaveso,ounlampione.Unpassanteloaiuta,manontrovandonullaglichiedeseèsicurochele
chiavisianolì.L’ubriacorisponde:“No,maèquichec’èluce”
“Grande”e“piccolo”:
melaeluna...neutriniesupernove
Elemen4chiave
• Misure,ancheconstrumen5appositamentesviluppa5
• Analisideida5
• Intuizioni,usodianalogie
• Matema5ca,ancheappositamentesviluppata
• Curiositàesfida:brainstorming,scommessa
• Comunitàscien5ficaeambientesocio‐culturale
Misuree“Sonde”
Conrisoluzionesempremigliore• Galileo:orologioadacqua,ba9tocardiaco• pendolo(Hooke)• ...• orologiatomici,laser• oggimisuriamomiliardesimidimiliardesimidisecondo!
SemprepiùvarieAstronomia
• inlucevisibileaocchionudo• inlucevisibilecoltelescopio• infrarossaeultraviole?a• inraggiXeinraggigamma• inneutrini(!)
A.S.Stodolnaetal.,Phys.Rev.Le,.110,213001(2013)
Lanubeele?ronicadiunsingoloatomo
DaGalileoeNewtoninpoi:
nuoviproblemi,stessometodo
• teorieperspiegareda5sperimentali• previsioni• scoperte(molteina?ese)• applicazioni
novità:• simulazionenumerica(fisicacomputazionale)• dimensioni(partecipan5,inves5men5)degliesperimen5edeiproge9
Meccanicaquan5s5ca‐ondulatoria:una“strana”soluzionedell’equazionediSchroedinger:
unapar5cellapuòa?raversareunabarrieradi(energia)potenzialesuperioreallapropriaenergia:
EFFETTOTUNNEL
aoerJ.D.McGervey,Introduc5ontoModernPhysics,Academic,1983
Geiger‐Nu?aldata(Phil.Mag.22,613(1911)
G.Gamow,Z.Phys.,51,204(1928)
l’effe?otunnelspiegaildecadimentoalfa,
(elereazionidifusione)
R.W.GurneyandE.U.Condon,Nature,122,439(1928)
aoerM.Schmid,2005
DonEigleretal.,IBM,1993
Unacoronadi48atomid’orosuunsubstratodirame.
20nanometri
G.Binnig,H.Rohrer(1986)."Scanningtunnelingmicroscopy".IBMJournalofResearchandDevelopment30:4.
ILMICROSCOPIOASCANSIONEAEFFETTOTUNNEL:VEDIAMOGLIATOMI!
Teoriadell’ele?rone(Dirac,1928):meccanicaquan5s5ca
+teoriadellarela5vità
Amme?esoluzioniaenergianega5va!
Dirac(ca.1930):an4‐eleNroni
rispe?oall’ele?rone,caricaopposta,massa“opposta”(!),stessospin
C.D.Anderson,Phys.Rev.43,491(1933)
positron:magne@cfieldofbubblechamber,Photograph,fromEncyclopædiaBritannicaOnline,accessedJanuary13,2014.CourtesyoftheLawrenceBerkeleyLaboratory,theUniversityofCalifornia,Berkeley
1932:Rivelatol’an5ele?rone(positrone).An5materia.
LaPET:tomografiabasatasuemissionedipositroni
conceptbyD.E.Kuhl,L.ChapmanandR.Edwardslate1950’s,developedbymanyothers;PET‐CTabout2000.
LaPET:tomografiabasatasuemissionedipositroni
C.C.Joggerstetal.,Astroph.J.693,1780(2009)latodellacornicequadrata:5*109km
S.Haan,Nucl.Fusion,44,S171(2004);shelldiameter:90micrometers
Fenomenisimili,maconscalemiliardidivoltediverse:• supernova(sx)• capsulaperfusioneinerzialevialaser(dx)
S.Atzeni,A.Schiavi,M.TemporalPlasmaPhys.Controll.Fusion46,B111(2004)
HypersonicJetfromyoungsolar‐typestar.YSOjetH111,OrionNebula.HubbleSpaceTelescope.NASAandB.Reipurth,U.COlorado.lunghezzadeljet:parsec(3*1016m)
Ciardi,A.etal.,Phys.Plasmas14,056501(2007)
Fenomenisimili,maconscalemiliardidivoltediverse:unjetastronomicoeunjetprodo?oinlaboratorio
Nuovefron4ereegrandisfide
accordingtotheAmericalPhysicalSociety
• Quantummanipula5onandnewmaterials(incl.nanoscales)• Complexsystems(incl.turbulence,biophysics,climatology,...)• Structureandevolu5onoftheuniverse• Fundamentallawsandsymmetries• [Physicsfor]Healthandbiomedicalsciences• [Physicsfor]Theenvironment• [Physicsfor]Na5onalSecurity• [Physicsfor]Economyandtheinforma5onage
Concludendo
Stessometodo,fron5ereincon5nuaevoluzione,verso
• ilsemprepiùgrande• ilsemprepiùpiccolo• ilcomplesso(ilriduzionismononbasta)
• neisistemiacomportamentocolle9vo• perlabiologia• perlescienzesociali(?)• perlaproduzionedinuovimateriali
aspe?andosorprese‘Myjobasatheorististothinkofthingfortheexperimentstolookfor,butthenwehopetheyfindsomethingdifferent’.‘Iftheyjustfindexactlywhatwepredict,wewouldhavenoclueshowtoprogress’.(*)
(*)J.ElliswithMrs.M.Thatcher,seePhys.Scr.T158(2013)014020)
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