Fondamenti

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1) Combinare la relatività generale e la teoria quantistica in un'unica teoria che possa pretendere di essere la teoria completa della natura

2) Risolvere i problemi che riguardano i fondamenti della meccanica quantistica o comprendendo il senso della teoria nella sua formulazione attuale o inventando una nuova teoria che abbia senso.

3) Determinare se le varie particelle e forze si possono o meno unificare in una teoria che le spieghi tutte come manifestazioni di un'unica entità fondamentale.

4) Spiegare come sono scelti in natura i valori dei parametri liberi del modello standard della fisica delle particelle.

5) Spiegare la materia oscura e l'energia oscura.Oppure, se non esistono, determinare come e perchè la gravità si modifica a grandi sclale. Più in generale, spiegare perchè i i parametri del modello standard della cosmologia hanno il valore che hanno

Ringrazio Lee Smolin.

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Nulla più è certo, quasi nulla è intuitivo. In un atomo al centro ci sono protoni e neutroni, attorno ad essi orbitano elettroni. Tali orbite non hanno raggio qualsiasi, ma solo alcune distanze sono permesse, sono cioè orbite "quantizzate". E non vanno viste, tali orbite, come la luna attorno alla terra, ma come luoghi in cui è più probabile che l'elettrone si possa trovare. Tali probabilità sono calcolate dall'equazione di Shrodinger, a cui rimando nell'articolo specifico.

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Ogni particella elementare, cioè, è associata ad un'onda di probabilità che, come tutte le onde, ha dei massimi e dei minimi ed il bello è che non è mai nulla! C'è, in altre parole, una probabilità, piccola, piccolissima, di trovarla dovunque.

Un altra caratteristica della meccanica quantistica è l'impossibilità di calcolare contemporaneamente con precisione le caratteristiche dinamiche di una particella. Mi spiego meglio con  queste formule
slide0008 image033     Esse esprimono il principio di indeterminazione di Heisemberg. La prima dice che l'errore sulla misura di posizione e l'errore sulla 

quantità di moto sono inversamente proporzionali. Cioè piccolo errore sulla posizione implica grande errore sulla velocità di una 

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particella. Grande precisione sulla posizione quindi dà un grande errore sulla velocità. Non posso calcolare queste "variabili coniugate" con la stessa precisione. La seconda dice che se misuro una particella per poco tempo ho un grande errore sulla sua energia. Diciamo grossolanamente che se la particella si sbatte ad altissima velocità è come se potesse avere un'energia superiore a quella che ha. Il bello che questo strano fenomeno accade veramente, si chiama effetto tunnel. Le memorie flash nel nostro telefonino usano l'effetto tunnel. La cosa meno intuitiva è che le particelle hanno un comportamento simile alle onde, hanno massimi, minimi, interferiscono come aoounto fanno le onde.

Quindi in meccanica quantistica le particelle se so dove stanno, non so bene che velocità hanno e viceversa. Inoltre possono avere un'energia che le fa fare cose impossibili come passare al di là di una barriera pur non potendolo fare(in meccanica classica, dove vale il principio di conservazione dell'energia)

Ancora peggio: se ben riflettete, una particella ferma è impossibile, avrebbe energia/quantità di moto infinita! Addirittura l'assenza di particelle è impossibile! Ed è stato dimostrato con l'effetto Casimir:

slide0019 image064Due lastre metalliche elettricamente neutre, messe in una campana in cui si fa il vuoto, si attraggono!

Il vuoto non è vuoto, ribolle di particelle che si creano e si distruggono.

Un quadro riassuntivo ti tali problematiche lo potete trovare nella sequenza di slide 

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Dopo aver visto brevemente l'evoluzione della fisica tra l'800 ed il 900, tiriamo un pò di conclusioni.

Ricollegandomi alle equazioni più importanti, tutte, tranne la 14, l'equazione di Schrodinger hanno in comune un  fatto:

14

descrivono grandezze continue, o meglio, descrivono grandezze continue misurabili.

Cosa significa? 

Una trattazione abbastanza esauriente la si può trovare su wikipedia, ma succintamente possiamo dire che nella fisica classica, se io so come è fatto il mondo ora, e conosco le leggi di evoluzione("le equazioni"), posso prevederne lo stato in qualunque momento futuro. Con qualunque precisione. Il calcolo delle probabilità, viene sviluppato se i sistemi sono così complicati e fatti di tante componenti, che sarebbe difficilissimo seguirle tutte, ma in linea di principio non impossibile. Fisica classica:determinismo.

Da questo punto di vista anche la teoria della relatività di Einstein è ascrivibile alla fisica classica. Anche se Einstein distrugge l'assolutezza del tempo, anche se afferma che l'energia e la massa sono la stessa cosa, anche se distrugge la visione newtoniana della forza di gravità. I campi e le grandezze di Einstein sono continui, definiti in ogni punto e la relatività, sia ristretta che generale, sono totalmente deterministiche.

La vera rivoluzione "filosofica" è fatta dalla meccanica quantistica. Continua

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 Ringrazio l'università di Pisa per il contributo.

Dalla fisica classica alla fisica moderna

“Classicae “modernasono due aggettivi che sono variamente usatparlando di arte, filosofia, letteratura...

Per la fisica, la separazione può essere fatta tra la fine dell'800 e l'inizidel '900. Altri preferiscono far iniziare la fisica moderna con la scoperta del l'elettrone (1890).

Come vedremo è più facile individuare un periodo di transizione, che sta appunto a cavallo dei due secoli, e dura almeno vent'anni, forse anche 50.

Panorama sulla fisica dell'800

Conviene cominciare ripercorrendo per capitoli le conquiste della fisica nel corso del 19mo secolo: che cosa si sapeva attorno al 1800, e che cosa alla fine del secolo.

Meccanica e astronomia

La meccanica newtoniana è già solidamente stabilita, ma progredisce nella capacità di calcoli e previsioni.

La scoperta di Nettuno.

Dalle irregolarità del moto di Urano (scoperto nel 1781) si suppone possa esistere un altro pianeta, non ancora visto, che ne perturba il moto. I calcoli (Adams, Leverrier) portano a prevedere dove il nuovo pianeta

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La meccanica quantistica abbiamo visto che rompe gli schemi classici e, direi, familiari dell'analisi della realtà. L'insieme dell'equazione di Shoedinger, dei principi di indeterminazione e della granularità del microcosmo, portano ad una radicale rivisitazione di ciò che consideriamo mondo fisico. Non esistono più traiettorie uniche, non esiste una data energia delle particelle, tutto è sostituito da nuvole di probabilità e dall'impossibilità di stabilire con certezza dove stanno le cose  e come si muovono. Il castello matematico inventato da Heisemberg, Dirac, Feynman ed altri, astruso e controintuitivo, però non è mai stato falsificato, anzi.

Ma quello che mettiamo sotto al tappeto sono cose grosse: non è polvere, ma pietre su cui si può inciampare. I padri nobili della m.q., Bohr, Heisemberg, la "scuola di Copenhagen", credevano nella validità dell'equazione di Shroedinger, che si propaga ovunque nello spazio e nel tempo, propagando un'onda di probabilità, ma spiegavano il fatto che poi, quando faccio una misura, ad esempio su un elettrone, lo trovo lì, proprio lì, in un modo strano e poco logico. Dicevano che la funzione d'onda "collassava in un autostato". Spariva la nuvola di probabilità e compariva la certezza classica. Perchè? "Perchè si".

La meccanica quantistica, inoltre, non chiarisce il ruolo dell'osservatore: lo rende ambiguamente partecipe, anzi compenetrato con l'osservato. La realtà esterna esiste a prescindere da chi l'osserva o la misura? Sembra più una "teoria efficace" piuttosto che una teoria fondamentale. Buona per i calcoli, ma piena di difetti epistemologici.

Quest'estate discutevo, mentre cenavamo, e bevevamo molto, con alcuni amici che si occupano di educazione dei bambini: ne avevano alcuni autistici o con Asperger. Io azzardai che, forse, uno dei loro problemi era come e cosa guardassero. La loro esclusione dal nostro mondo poteva dipendere dal fatto che non vedevano noi, ma la nuvola di probabilità di Shroedinger o peggio vedevano molti noi contemporaneamente, come una folla impazzita di cloni. Una versione moltiplicata dell'ubriaco.

Parallel Universe Desktop by VisionGfx1Nel 1957 un dottorando americano, Hug Everett, nella sua tesi, stabilì che l'onda di probabilità non collassa mai. In realtà anche un ficico francese, De Broglie, lo aveva detto tempo prima, ma Everett va oltre. L'osservatore vede un elettrone in un dato punto, che è quello che sta nell'universo in cui vive. Ma esistono altre a priori infinite possibilità che tale particella stia da un'altra parte. E disse che ad ogni altra possibilità corrisponde un altro osservatore. Di osservatori ce ne sono più di uno, di universi ne esistono più di uno. Nasceva il concetto di multiverso. Il multiverso quantistico. Vedremo dopo come il concetto di multiverso, apparentemente fantascientifico, sia molto importante per comprendere, ad esempio, quello della gerarchia e molti altri di tipo cosmologico.

Un'altra interpretazione, molto intrigante, è quella del fisico Carlo Rovelli, che fa riferimento alle proprietà relazionali. Secondo tale interpretazione, le particelle esistono tout court se hanno relazione con altre particelle. In altre parole, non ha senso di parlare di realtà isolate con caratteristiche intrinseche.  E' l'nterazione tra le cose che le rende reali, non viceversa.  Rovelli dice che "la meccanica quantistica non descrive oggetti, ma processi ed eventi che sono interazioni tra processi" Forse la granularità stessa della MQ nasce da questo, dal rapporto uno ad uno caratteristico delle relazioni.

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