Indice ed introduzione

1. Indice ed introduzione • Indice degli argomenti • L’Astronomia come osservazione e l’Astrofisica come spiegazione delle origini e della fine. • Riflessioni sulla curiosità dell’uomo e sulla voglia di rispondere ai “perché”. • Cenni di Fisica moderna: teorie matematiche e sperimentazione, onde elettromagnetiche e strumenti di osservazione. • I campi di applicazione delle varie teorie ed i limiti attuali per capire l’Universo • Il nuovo modo di concepire Energia, Spazio, Tempo, Materia e Antimateria • Come tutto è incominciato 13,7 miliardi di anni facol Big Bang, le Stringhe, le Brane, le Multidimensioni • Come prevediamo che andrà a finire nei miliardi di anni che seguiranno. L'incisione dì Flammarion Un artista anonimo di fine XIX secolo raffigu- rò in questa immagine un viaggiatore che raggiunge l'orizzonte, dove il cielo incontra la Terra e fa capolino nel firmamento per scru- tare l'ignoto, in ginocchio su un paesaggio terrestre stilizzato. L'immagine, che prende il nomedall’astronomo Camille Flammariondel 1800,illustra la sete di conoscenzadell'essere umano. Le Scienze, n° 581 nov.2012, pag 88

2. Riflessioni sul ‘logo’ scelto • Le possibili interpretazioni della metafora visiva corrispondono a due ben definite idee sulla cono-scenza: o è raffigurata una barrieraimmaginariache, nella realtà, la scienza è sempre in grado di attraversare, o è raffigurata una barrierarealeche è possibile penetrare solo con la nostra imma-ginazione. In altri termini: la scienza può trascendere ciò che ci è familiare (rivelando nuovi oriz-zonti) ? o può solo ricordarci che la nostra prigione è ineluttabile, che possiamo avere solo una conoscenzalimitata della realtà e un'illimitata umiltà? • Secondo l'ultima interpretazione l'artista ci dice che siamo imprigionati in una bolla finita, fatta di oggetti ed eventi familiari: possiamo aspettarci di capire il mondo di cui abbiamo esperienza diretta, ma all'esterno, l'infinito è inaccessibile all'esplorazione e alla comprensione. La teoria quantistica è spesso citata come argomento risolutivo a favore della 2° visione. All'inizio i teorici adottarono un metodo di insegnamento elusivo ed i libri di testo e gli articoli di divulgazione sono pieni di affermazioni del tipo: «Se pensi di aver capito la teoria quantistica, ti sbagli»; «La teoria è imperscrutabile e così il mondo»; «Le cose accadono senza una ragione o una spiegazione». • Eppure gli sviluppi degli ultimi decenni contraddicono queste caratterizzazioni. Nel corso degli anni i fisici hanno spesso ipotizzalo che i limiti imposti dalla fisica quantistica avrebbero impedito di imbrigliare la natura, nel modo in cui la meccanica classica ci aveva abituati a fare. Nessuno di questi impedimenti si è mai concretizzato. Al contrario, la meccanica quantistica si è rivelata liberatoria. Le proprietà quanto-meccaniche dei sistemi fisici, quali sovrapposizione di stati, entanglement, discontinuità, casualità si sono dimostrate risorse, non limitazioni. Sfruttandole, sono stati progettati diversi dispositivi ingegnosi, dai laser ai microchip. E questo era solo l'inizio. Oggi stiamo usando sempre di più i fenomeni quantistici per comunicazioni e sistemi computazionali imperscrutabilmente potenti dal punto di vista classico. Stiamo scoprendo nuove strade per imbrigliare la natura e addirittura creareconoscenza. Le Scienze, n° 581 nov.2012

3. VISIONE D’INSIEME Destino finale Interesse per la Scienza e la Tecnologia ◊N°risultati◊ Post 1800 Pre − Illuminismo 2012 OGGI Primordi 1492 America -IV sec Platone Aristotele Primi uomini 476 Roma↓ a. O Gesù -753 Roma ↗ 1455 Stampa Anni 1200 Fibonacci -1800 astronomi babilonesi -VI sec. Buddha Confucio -III sec. Aristarco Archimede IX sec. Al-giabr wa II sec. Tolomeo 1543 Copernico

4. RISULTATI 1500 ↔ 2000 Visione d’insieme con risultati fino al 1500. Progresso fra 1600↔1800 2000 1769 J.Watt I,II,III leg.Keplero 1687 Newton Progresso 1800↔2000 in prox pag. 1610, Studi di Galileo 1785 Coulomb Pascal 1789 Rivoluz. Francese 1861 Unità Italia Ago.1945 Hiroshima Nagasaki 1623, W. Schickhard Calcolatore mecc. 1714 Fahrenheit

5. DETTAGLI 1800 ↔ 2000 Notate che questi sono solo alcuni fra gli eventi più importanti

6. Cenni alle moderne teorie e limiti • Le spiegazioni sul “grandissimo” ci forzando oggi a chiudere il cerchio col “piccolissimo” e si è tracciata una chiara linea di demarcazione fra quello che sappiamo e quello che non sappiamo sulla struttura del mondo fisico. Da un lato disponiamo di una straordinaria batteria di teorie fondamentali il cui successo è stato spettacolare, ben al di là delle previsioni, e la cui potenza nel rendere conto dì quanto osserviamo nel mondo fisico è prodigiosa. Ma dall'altro lato esistono limiti di conoscenza sempre più nitidi. • Le teorie fondamentali sono: (1) la meccanica quantistica [quadro generale per compren-dere i fenomeni dinamici], (2) il modello standard delle particelle elementari [descrive la materia e le forze non gravitazionali, non «l’oscuro»], (3) la relatività generale [descrive lo spazio, il tempo e la gravità, ma non si sa come raccordarla con la gravità quantistica]. • I limiti sono pure tre: (a) la materia oscura e l’energia oscura, (b) il problema dell’unifi-cazione delle teorie nella “teoria del tutto”, (c) la gravita quantistica e sue conseguenze. • Oggi quasi non esiste fenomeno fisico che osserviamo, che non sia comprensibile, almeno in linea di principio, in termini delle tre teorie. Non vediamo pressoché nulla che le contraddica ed i fenomeni più spettacolari previsti da queste teorie, compresi quelli che all'inizio sembravano non plausibili, sono stati verificati. • Alcuni esempi: le correlazioni quantistiche a distanza (entanglement), l'esistenza di particelle elementari previste prima di essere osservate, come i bosonivettoriosservati da Rubbia, il quarkcharm previsto da Maianì, Glashow e Iliopoulos o la particelladiHiggs, i buchineri, l'espansionedell'universo, le lentigravitazionali e altro ancora …

7. Campi di validità delle Teorie Il mondo della Fisica da -∞ a +∞ è oggi affrontato con diverse Teorie, più o meno contigue ma non unificate, che hanno i Campi di Applicabilità qui sotto indicati. La Meccanica Classica che descrive nel modo più semplice i fenomeni a Velocità<<C(luce) e Distanze>>10-9m, non è più valida negli altri casi, che oggi sono alla base di alcune applicazioni pratiche dell’elettronica !! Inutile dire che gli altri 3 Campi sono quelli più stimolanti e affascinanti!

8. Una precisazione sulle onde E-M Al variare di un solo parametro dell’energia elettromagnetica …. Solo per ricordarvi che al variare della frequenzafdi un’onda elettromagnetica succedono cose quasi miracolose: isolanti diventano conduttori e viceversa e si aprono ben 3 (finora ?) “finestre” dei nostri sensi sull’Universo: il calore, la luce, la morte e ..chi sa se percepiamo altro. Non dimenticate: anche la prima luce partita è divenuta il “fondo cosmico a 2,7 °K“.

9. Modello standard delle particelle ► Le particelle della materia ordinaria sono solo il @ 4,9%del totale ! Materia ordinaria Il modello standard • La maggioranza della massa-energia è : • Materia oscura @ 25 % • Energiaoscura@ 70 % • [ “oscure” non perché non si vedono, ma • perché non ne sappiamo quasi niente].

10. Effetti della “materia oscura” ► Le galassie satellite I calcoli teorici prevedono centinaia di medio-piccole galassie intorno alla Via Lattea. Nuove ricerche sperimentali hanno indi-viduato queste galassie (pallini blu) fatte intera-mente da materia oscura. La nostra galassia risuona come un gong!► Nel 1950 si era osservata una deformazione della Via Lattea attribuita alle nubi di Magellano, Gran-deePiccolama la loro massa era scarsa! Ora con la scoperta della Mat.Oscura, tutto è più chiaro…

11. Strumenti di osservazione Galileo, cannocchiale Satelliti di Giove SETI Medicina (BO) Croce d-Nord (BO) VLA E-ELT @100 m Hubble SKA Dalla luce alle radiofrequenze [L’erede sarà: James Webb Space Telescope] Arecibo

12. Scala dell’ Universo “Grandissimo”e nomi delle Unità di Misura (potenze di 10) Un ‘tutorial tool’ sul web: come si usa: http://htwins.net/scale2/index.html

13. COSMO: immagini e proporzioni ns. Galassia http://www.youtube.com/watch?v=aGtILkk9L14vedi: «Le meraviglie del cosmo»! Proporzioni del Sole Galassia a spirale dall’alto Hubble Pilastri Nebula dell’Aquila, Hubble

14. Cosmo: costellazioni, galassie, etc.. LEONE ORIO, CANE Magg. ieri PEGASO DRAGO GEMELLI ANDROMEDA TESTA DI CAVALLO GEMELLI oggi SOLE, flares Galassia e Buco nero BUCO NERO, radiazione

15. E adesso capiamo il Big Bang! Tutto cominciò con formule che non tornavano e ricezione di strani segnali da tutte le direzioni … ma è finita con premi Nobel e cattedre universitarie! Poi gli strumenti hanno confermato le teorie ed oggi ci sono limiti e difficoltà, ma quella del Big Bang è una delle più accettate teorie al mondo. ↙ Radiazione di fondo WMAP a 2,7°K Su una sfera intorno alla galassia ◄ Rappresentazione piana di una sfera, analoga al planisfero

16. Hubble: dal tempo zero ad oggi Inflation si accendono le stelle fine dell’epoca buia si sono formati il nostro sole e la Terra Scala logaritmica ◄ EVOLUZIONE OGGI

17. Altri dettagli del Big Bang

18. Altre rappresentazioni Nelle figure sono mostrate due rappresentazioni equi-valenti del Big Bang che commenteremo a voce e che aiu-tano il nostro intuito (non per l’origine dello spazio-tempo) Naturalmente il pavimento non c’è, è solo per aiutare l’occhio alla prospettiva … • Meditate in particolare su due concetti molto difficili da immaginare: • l’inflazione iniziale, • la nascita di spazio e tempo col Big Bang

19. Origine del Big Bang Ma da dove viene fuori il Big Bang : da Dio, dal nulla ?? Non c’è bisogno di fare ipotesi così “a-scientifiche”, fra l’altro non c’era un «prima» né perlospazio né peril tempo, entrambicreatisubitodopo l’Inflazione a 10-43sec. Parametri nulli e quindi anche Energia=0 non significa necessariamente che tutto è nullo, per esempio ETOT=E1+E2=0seE1=−E2. Comprendiamo con un esempio: se in una pianura, piana isolata da tutto, cercate di creare una collina, accumulando terra interna al sistema, dovrete usare la terra di una grossa buca che scaverete… Scrivendo in maniera più scientifica, avremo: ∑E+=∑E− e poiché conosciamo l’energia-massanegativa o antimateria, abbiamo compreso il mistero!Basta cioè una fluttuazione dell’equilibrio per creare “dal nulla” energia-massa «+» e «−». La figura a pagina seguente ci dà un’idea di tale fluttuazione secondo la teoria delle stringhe (multi-brane), generabile secondo le leggi della meccanica quantistica, che consente di far apparire «per un po’..qualcosa». [senza Causalità] Qualcuno obbietterà: “Ma Chi ha voluto/creato le leggi della meccanica-quantis.?“. Beh, quel Chi doveva occupare uno spazio e un tempo che non esistevano ancora! Esempio: “Le piante crescono bene per l’acqua piovana, che è dovuta alle nuvole, generate dal calore del sole, nato dalla fusione nucleare dell’idrogeno, dopo il Big Bang chehacreatolospazio-tempo,generandosidaunasingolarità,senza prima!”

20. Big Bang e Teoria delle stringhe

21. Possibili evoluzioni future Big Chill Blackout Big Rip Big Bang Big Crunch 4 Teorie base: tutto nasce col BB leggi gravitazione quantistica da spazio esterno (multi-brane) universo ciclico: espansione/collasso/espansione

22. Scala dell’ Universo /3 È un ‘tutorial tool’ sul web: come si usa ? http://htwins.net/scale2/index.html

23. ... E per finire un filmato Prima di chiudere quest’incontro vorrei farvi vedere un video che mi ha dato un’intensa emozione: TUTTA LA NOSTRA VITA IN DUE MINUTI http://www.youtube.com/watch?v=MrqqD_Tsy4Q E’ un breve filmato (2 minuti, appunto) che parte dal Big-Bang e fa scorrere il tempo del Cosmo fino alla sua fine (secondo una delle teorie illustrate prima), con una sequenza velocissima d’immagini. La scala dei tempi è volutamente non proporzionaleper dare enfasi ai principali eventi della storia dell’Umanità. Il ritmo della colonna sonora è incalzante come le immagini. L’effetto è impressionante e le emozioni che risveglia sono tante; per me è stato un insegnamento sull’importanzarelativa delle cose umane nel con-testo dell’Universo (… se è uno solo ...?!) vediamo ------► ► ►

24. Conclusioni e domande • Ogni incontro volontario fra persone nasce “fortunato” perché: • Tutti sono venuti senza costrizioni né preconcetti, in totalerelax • Le intenzioni sono le migliori anche se la materia è complessa • La competizione e l’esibizionismo nonhannomotivo di essere • La curiosità e la voglia di “auto-sfidarci” sono la molla ispiratrice • Allora spero che ne abbiate approfittato !!! • Avete accettato con pazienza l’introduzione “critica” e storica… • Siete sopravvissuti alle inevitabili slides di Fisica (premessa necessaria). • Vi siete risparmiate tutte le difficili formule, a favore dell’intuizione. • Spero abbiate recepito lo spirito non accademico ma “curiosemico” • Non potete negare che video e foto siano state elaborate per “Voi”. • Ora capiremo certo di più tante cose e faremo domande migliori. • Partecipate con idee o suggerimenti per i prossimi (forse) incontri.