Liceo Scientifico Statale “Renato Donatelli” - Terni

Anno Scolastico 2015/2016

Seminari di FISICA

“LA FISICA INCONTRA GLI STUDENTI DELLE SUPERIORI”

La teoria delle stringhe è l’ultima frontiera dei modelli teorici che descrivono in modo unificato le quattro interazioni fondamentali: l’elettromagnetismo, le interazioni nucleari deboli, quelle forti e la gravitazione. È una teoria che interpreta le particelle fondamentali come modi di vibrazione nella trattazione quantistica delle corde vibranti. Alcune di queste particelle sono quelle a noi note, elettroni, quarks e mediatori delle interazioni come i fotoni, i gluoni, i W e la Z₀. Altre non sono ancora state trovate, ma dovrebbero esistere per spiegare l’esistenza della materia oscura che costituisce quasi il 27% del nostro universo. Anche l’energia oscura, responsabile dell’accelerazione delle galassie lontane e del 68% dell’energia del nostro universo, potrebbe avere un’interpretazione nell’ambito della teoria delle stringhe. Questa teoria, inoltre, dando una descrizione quantistica della gravità, è in grado di spiegare il comportamento fisico dei buchi neri e di fornire delle interpretazioni per l’origine del nostro universo. Moltissimi fisici teorici in tutto il mondo lavorano in questo campo di ricerca, tuttavia il 95% del nostro universo ha ancora bisogno di una spiegazione. Per questo il contributo di giovani menti è sempre più necessario.

Il Modello Standard delle interazioni elementari, recentemente completato dall’osservazione del bosone di Higgs, rappresenta lo “strumento” teorico più avanzato, potente e di successo mai concepito dall’uomo. Descrive con incredibile precisione una vastissima gamma di fenomeni. Fino ad oggi tutti gli esperimenti che i fisici hanno progettato per minarne le basi e scoprire, quindi, fenomeni nuovi hanno dato esiti negativi. Sappiamo tuttavia che è incompleto, alcune sue proprietà risultano “innaturali”. Il modo più efficace per dimostrarne l’incompletezza è quello di sottoporlo a verifiche sempre più severe, ovvero di testare le sue previsioni, finora sempre accurate, ad energie sempre più elevate. Questa è la sfida che ha spinto i fisici a concepire e costruire l’acceleratore “Large Hadron Collider”, detto LHC, al CERN di Ginevra. In questo seminario verrà descritta brevemente la storia della fisica delle alte energie, ripercorrendo l’evoluzione della teoria e, di pari passo, quella degli esperimenti fino allo sviluppo del Modello Standard e alla costruzione dell’LHC.

Si delinea il percorso complesso ed affascinante della fisica nel XX secolo, che l'ha portata ad elaborare teorie molto lontane dall'immaginario ottocentesco e dal senso comune. Essa, dalla relatività alla meccanica quantistica e ai recenti sviluppi della fisica delle particelle, descrive un mondo singolare, che assume come base la simmetria delle leggi di natura (che per i fisici è quasi sinonimo di bellezza). Questa bellezza si è affermata tra grandi contrasti, a cavallo di scienza, arte e filosofia. Infine si accenna alle grandi sfide ancora aperte e si illustra il cambiamento graduale del paradigma filosofico della fisica moderna, forse destinato a sfociare in una nuova forma di platonismo.

La frase citata, di Galileo Galilei, ha una notevole rilevanza nella moderna concezione delle scienze della natura. La presentazione è rivolta all'esame dell'evoluzione del modo di concepire l'ambiente dai primi pensatori (filosofi) al punto di vista moderno di associazione diretta matematica-ambiente di cui Galileo Galilei è il fondatore. Il successo di questo punto di vista viene brevemente discusso nel contesto dei risultati concettuali e dei conseguenti sviluppi tecnologici.

Il Premio Nobel per la Fisica 2015 è stato assegnato al giapponese Takaaki Kajita e al canadese Arthur B. McDonald, per il loro contributo chiave agli esperimenti che hanno dimostrato l'oscillazione del neutrino. La natura "oscillatoria" è l'ultima e, forse, la più strabiliante delle proprietà scoperte di queste sfuggenti particelle che, se pur ben inserite nello schema del Modello Standard, rappresentano, con la loro massa minuscola ma non nulla, l'unica anomalia del modello. Ripercorreremo le tappe fondamentali che, dall'ipotesi sulla loro esistenza formulata da Wolfgang Pauli nel 1930, hanno portato, attraverso conferme sperimentali e successi teorici, alla comprensione approfondita dei meccanismi che governano le interazioni e i "mescolamenti" dei più leggeri costituenti della materia, che potrebbero però rappresentare la parte più massiva e oscura dell'Universo.

Dall’origine dell’Universo, le particelle che si combinano per formare tutti gli elementi che ci circondano sono sempre le medesime. Nei primi attimi dopo il Big Bang, materia ed energia erano concentrate in uno spazio minuscolo, a densità e temperatura altissime. Lo studio dell’evoluzione dell’Universo dalle primissime frazioni di secondo dall’origine è reso possibile grazie agli acceleratori di particelle, come il LHC del CERN di Ginevra, usati per esplorare la materia nelle sue componenti più profonde e porre così le basi per la comprensione della natura delle interazioni fondamentali. Il seminario, attraverso un viaggio nel cuore della materia e i suoi costituenti, presenta un’introduzione alla Fisica delle Particelle Elementari illustrando anche le ricadute tecnologiche e i progressi ottenuti in campo applicativo che ritroviamo in svariati ambiti della nostra vita quotidiana.

Vengono presentati i grandi progetti che prevedono la costruzione dei più ambiziosi strumenti per l'osservazione del cosmo alle frequenze radio, del visibile e gamma. Questi strumenti sono attualmente in fase di progettazione ed entreranno in funzione all'inizio degli anni 2020. Attraverso questi strumenti la comunità scientifica internazionale e quella italiana cercheranno di trovare risposte a domande fondamentali sull'origine dell'energia e della materia oscura nonché sull'origine e l'evoluzione dell'Universo.

In questo seminario verrà descritto come la comprensione e manipolazione della realtà fisica passi attraverso una catena complessa di passi e procedure che sempre più coinvolgono discipline come nanotecnologie e microelettronica. In particolare si descriveranno i trasduttori, la conversione di una misura in numeri, la loro rappresentazione all'interno di un sistema informatico, i meccanismi per agire su sistemi fisici (attuatori) con le possibili limitazioni. Infine si descriveranno per sommi capi alcune delle attuali applicazioni di queste tecniche che utilizziamo nella vita di tutti i giorni.

Edizione 2012-2013

Edizione 2011-2012

Edizione 2010-2011

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