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Vi siete mai chiesti perchè il cielo, di notte, è nero?lattea02

Ci sono tante stelle e dovrebbero rischiararlo, come lampadine in una stanza. E come mai non lo fanno?

La natura non è come ci appare. I nostri sensi ci ingannano spesso, e siccome questo fatto è comune, abbiamo elaborato pure il concetto di "senso comune", sinonimo di errore di massa. Nel nostro caso siamo in presenza del paradosso di Olbers, astronomo che cercò di dare una risposta.
Cominciamo col dire che la velocità della luce è alta, altissima, ma non infinita. Il che vuol dire che ci mette del tempo per arrivare a noi. In una stanza non ce ne accorgiamo nemmeno, ma su scala cosmica potrebbe accadere che stelle lontanissime non hanno ancora avuto il tempo di farci giungere la loro luce. C'è un però. Se l'universo fosse eterno la luce ci avrebbe sicuramente raggiunto! Quindi possiamo supporre che non lo sia. Ed infatti è così. L'universo ha 13,7 miliardi di anni, non esiste da sempre. Ma non è solo questo. Esso si espande e la sua velocità di espansione è data dalla legge di Hubble 
 che è

  equivalente anche alla

 

.Queste due formule ci dicono che z, spostamento verso il rosso della luce delle stelle è proporzionale alla loro distanza ed anche la velocità con cui si allontanano tali stelle. In altre parole stelle lontane hanno un colore, per noi, non più bianco, ma che tende a non essere visibile. La maggior parte delle stelle è lontana da noi, non ci illumina, non illumina quella parte di cosmo che vediamo. Quindi il cielo ci appare nero perchè quello che vediamo è poco illuminato ed, in più, la luce si diffonde in uno spazio che aumenta sempre più velocemente.

 

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L'intensità delle interazioni fondamentali dipendono dalle energie in gioco. Man mano che aumenta l'energia, esse tendono a unirsi. Uno dei motivi per comprendere tale fenomeno è comprendere come sia avvenuta la nascita e l'evoluzione successiva del nostro universo, svolgendo, per così dire, il film a ritroso. Infatti nella figura successiva vediamo un'ipotesi, molto condivisa, delle fasi di sviluppo dell'universo. 

slide0006 image056Nell'immagine successiva sono evidenziate le forze coinvolte e la loro evoluzione, o meglio la loro separazione man mano che l'universo si espandeva, fino ad arrivare ai giorni nostri. Come si può notare, la forza di gravità è la prima a formarsi ed è anche la più debole delle altre tre. La verifica sperimentale di tali fenomeni è, in linea di principio, fattibile. L'HLC di Ginevra è un primo banco di prova, ma c'è da dire che, malgrado sia la macchina più potente mai costruita, le energie che mette in gioco sono molto lontane da quelle necessarie per notare il processo di unificazione delle forze slide0012 image053

 

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Tutte le cose che vediamo sono fatte di molecole. Le molecole sono fatte di elementi. Gli elementi sono fatti di atomi. Ogni atomo ha tre costituenti: protoni,neutroni ed elettroni. La differenza tra un elemento ed un altro è nel numero di protoni e neutroni presenti nel loro nucleo. Gli elettroni normalmente sono in numero uguale ai protoni. le cariche negative degli elettroni, infatti, compensano quelle positive dei protoni, rendendo elettricamente neutro l'atomo. Infatti qua vediamo la tabella periodica degli elementi, dove il numero in alto in ogni casella indica il numero dei protoni:

Pesi Simboli

Focalizziamoci ora sui costituenti ultimi della materia, che interagiscono tra di loro in quattro modi.Ah, dimenticavo: i protoni ed i neutroni non sono "elementari", ma sono fatti di quarks.

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Albert Einstein concepì e pubblicò, nel 1916, la relatività generale come estensione di quella ristretta ai sistemi non inerziali, sottoposti cioè ad acccelerazione. per prima cosa definì il "principio di equivalenza". Avete mai, sicuramente si, visto cosa succede quando curvate stretto ad alta velocità? Vi sentite spinti verso lo sportello della macchina, sperimentate che c'è qualcosa fuori dalla macchina che vi attrae, mentre quando andavate dritti e a velocità costante non avvertivate nulla. In altre parole, in un sistema accelerato potete sperimentare che ci sono delle forze che vi attirano o vi spingono. Einstein pensò ad a un ascensore ideale che sale, nel vuoto, verso l'alto accelerando. Le persone all'interno non sanno se esso sia accellerato o fermo e sottoposto  alla forza di gravità. C'è cioè equivalenza tra un sistema accelerato ed un campo di gravità. Un passo successivo è affermare che un campo gravitazionale provoca la variazione della traiettoria di un oggetto nelle sue vici

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nanze ed anche del tempo che scorre rispetto all'oggetto stesso. Varia lo spazio-tempo. 

La variazione dello spazio-tempo avviene poichè la massa, sorgente del campo gravitazionale

, modifica la geometria dello spazio circostante ad essa. Le traiettorie cioè dei corpi nelle sue vicinanze sono determinate da queste variazioni nel tessuto dello spazio. Le traiettorie "naturali" non sono più rettilinee ma sono archi di curva "geodetiche" nello spazio-tempo.

Il senso dell'equazione di Einstein è proprio questo:einstein explained

La distribuzione di massa e dell'energia, ma anche della pressione, determinano la geometria dello spazio-tempo. Tale geometria interagisce non solo con i corpi, ma anche con la radiazione elettromagnetica. E' celebre la dimostrazione di questo fenomeno da parte di Sir Eddington nel 1919, che misurò

Spacetime curvature

 come il campo gravitazionale del sole curvasse la luce proveniente dalle stelle. Dimostrazioni della sua validità sono nella spiegazione della precessione del perielio di mercurio e nell'osservazione del comportamento delle quasar. Una spettacolare applicazione della relatività sia ristretta che generale l'abbiamo nei nostri telefonini: il GPS non potrebbe funzionare senza applicare le opportune correzioni relativistiche: i satelliti che orbitano attorno alla terra hanno orologi che vanno più lenti di quelli a terra, sia per la loro velocità e sia per il campo gravitazionale. Se non correggessi tali effetti, l'errore nella localizzazione sarebbe di più di 7 km!

Un'altra conseguenza della relatività generale è l'abbandono dell'azione a distanza della forza di gravità. Newton supponeva che tale forza instan

Spaziotempo distorce la visione

taneamente si propagasse nello spazio, mentre Einstein tratta il campo gravitazionale alla stregua degli altri campi, come quello elettromagnetico. Esso si propaga alla velocità della luce, quindi a velocità alta ma finita ed una sua eccitazione, ancora come il campo elettromagnetico, genera onde, onde gravitazionali. In più, sempre in analogia col campo elettromagnetico, e abbaracciando l'ipotesi quantistica, associato con le onde gravitazionali c'è la particella che trasposta il campo, il gravitone. Sia le onde gravitazionali che il gravitone sono ancora oggetto di ricerca.

Proprio mentre rileggo tale nota, vari gruppi di ricerca hanno rivelato l'esistenza delle onde gravitazionali, generate dalla fusione di due buchi neri. Approfondimenti si possono trovare qui.

Einstein si accorse della instabilità del suo modello. La gravità avrebbe fatto collassare qualunque sistema in cui erano presenti masse. Siccome non succedeva e poichè riteneva che l'universo fosse staticamente immutabile, aggiunse un termine alla sua equazione: la costante cosmologica, che  dava un contributo contrastante alla forza di gravità, una sorta di "antigravità". Ritenne dopo, sbagliandosi, che fosse un grande errore, ma aveva scoperchiato il vaso di pandora sull'energia oscura, di cui ci occuperemo dopolatex

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A scuola, tutti abbiamo studiato che da un punto esterno a una retta si può condurre un’unica parallela passante per quel punto: è il quinto postulato di Euclide, noto come il “postulato delle parallele”, una delle premesse essenziali per costruire tutta la geometria, com’è riportata nei suoi  Elementi  (terzo secolo A. C.), il libro che viene considerato la Bibbia dei matematici.

E se qualcuno affermasse che per questo punto esterno alla retta si possono condurre due o più rette parallele o nessuna, diremmo che è impazzito. Eppure questi nuovi postulati, sostitutivi di quello euclideo, sono perfettamente legittimi, ma ci vollero più di duemila anni perché qualcuno osasse esprimere queste idee, all’origine delle geometrie non euclidee.

E’ opinione comune infatti che due rette sono parallele se, prolungate, non si incontrano mai, come i binari del treno.  Ma questa idea di  “non incontrarsi mai” presuppone che le rette proseguano all’infinito ed è stato proprio l’infinito, che ha creato il maggior imbarazzo nella storia della matematica. Per questo, nel corso dei secoli, molti grandi matematici hanno tentato invano di eliminare il postulato delle parallele, con una dimostrazione che consentisse di trasformarlo in teorema, togliendolo così dalla posizione imbarazzante di premessa fondamentale della matematica. Si tentò anche di introdurre postulati sostitutivi, per dimostrare che qualsiasi altro postulato avrebbe portato a inevitabili contraddizioni e  che, in conclusione, l’unico possibile era quello di Euclide. Ma non emerse alcuna contraddizione, anzi le deduzioni che se ne traevano, risultavano in molti casi perfettamente legittime.

I principali protagonisti della grande avventura matematica che portò alla creazione delle geometrie non euclidee, quelle appunto che non ammettono il quinto postulato, sono Carl Friedrich Gauss (1777 – 1855), Nikolaj Ivanovich Lobačevskij (1793 – 1856) e János Bolyai (1802 – 1860).

Gauss, considerato da molti il più grande matematico della storia, fu il primo a convincersi della validità delle geometrie emerse dai nuovi postulati e fu lui a battezzarle “geometrie non euclidee”. Scriveva a un amico, nel 1824, che i suoi studi lo avevano portato “a una curiosa geometria, piuttosto diversa dalla nostra, ma fortemente coerente, che ho sviluppato con grande soddisfazione”. Ma non pubblicò nulla sull’argomento, nel timore delle critiche e incomprensioni dei suoi colleghi, che avrebbero potuto screditarlo.

Saranno Lobačevskij e Bolyai, due matematici che vivevano ai margini del mondo accademico tradizionale, a trovare il coraggio di pubblicare i primi lavori di geometria non euclidea, a dimostrazione del fatto che una nuova idea nasce più facilmente al di fuori dell’ambiente ufficiale, più restio ad abbandonare i vecchi e radicati concetti. Lobačevskij, che viveva nella lontana Kazan’, ai piedi degli Urali, prima docente e poi rettore della locale università, scrisse un lavoro, nel 1826, su quella che definì la “geometria immaginaria”, lavoro che non solo non riuscì a pubblicare, ma che andò anche perduto. Nel 1830,  riuscì finalmente a far pubblicare i suoi studi su una rivista russa. Si tratta del primo lavoro pubblicato sull’argomento e questo gli dà il diritto di essere considerato il fondatore della geometria non euclidea. Di Lobačevskij Renato Betti, docente di geometria del Politecnico di Milano, presenta ora un’accurata biografia, Lobačevskij – L’invenzione delle geometrie non euclidee. Betti riporta sia i risultati ottenuti da Lobačevskij e dagli altri matematici dell’epoca,  sia  la sua vita e le vicende nella Russia della prima metà dell'800. “Da una parte c’è funzionario scrupoloso e attento ai valori correnti del suo tempo – scrive Betti - dall'altra un ricercatore teso all'innovazione, che non ferma le proprie concezioni davanti alle convenzioni ed allo stile dominanti. Bravo studente, ma non il migliore. Bravo docente, ma gli vengono preferiti altri per essere mandati all'estero. Era sicuramente mosso da una certa inquietudine intellettuale, ma questo non gli impedisce in un paio di occasioni giovanili di farsi strumento di repressione nei confronti dei colleghi.

Il personaggio più simpatico, fra i padri delle geometrie non euclidee, è sicuramente Bolyai, ufficiale dell’esercito austro – ungarico, violinista di gran talento, che teneva concerti a Vienna e in altre capitali europee, ballerino impareggiabile, rubacuori e grande spadaccino. I suoi biografi raccontano che, in una sola giornata, sfidò a duello tredici ufficiali, suoi compagni d'arme, e riuscì a vincer tutti, suonando il violino tra un duello e l'altro per tenere la sua mano in esercizio, e sicuramente anche per impressionare gli avversari. Bolyai, che nel libro di Betti non trova molto spazio e che lo obbliga, speriamo, ad una nuova biografia, era figlio di un matematico amico di Gauss, ed era ufficiale di stanza a Temesvár, dove incominciò ad occuparsi della nuova geometria per combattere la noia del servizio militare. Inutilmente il padre, quando lo venne a sapere, gli scrisse: "Figlio mio, ti imploro, desisti dal tuo tentativo. Il problema delle parallele è cosa da temere e da evitare, quanto le passioni dei sensi, poiché anch'esso può rubarti tutto il tuo tempo e privarti della salute, della serenità di spirito e della felicità". In realtà le geometrie non euclidee lo portarono ad una crisi profonda e ad abbandonare, per un certo periodo, lo studio della matematica, quando scoprì che era stato preceduto da  Lobačevskij che non conosceva. I suoi primi lavori  sulla “geometria assoluta”, come aveva battezzato la sua geometria, uscirono infatti nel 1833, tre anni dopo il primo libro di Lobačevskij, in modo del tutto indipendente, ma facendogli perdere il primato della scoperta. Questo nulla toglie al merito suo e di Lobačevskij di aver avviato una grande rivoluzione culturale. “La fine del dominio della geometria euclidea – scrive Morris Kline – segnò la fine del dominio di ogni verità assoluta”. E’ una rivoluzione paragonabile a quella copernicana o a quella darwiniana, che ogni persona di cultura dovrebbe conoscere, partendo proprio dallo studio di Renato Betti.

Federico Peiretti, LA STAMPA, 2 luglio 2005

Renato Betti

Lobačevskij. L’invenzione delle geometrie non euclidee

Bruno Mondadori

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