Tre lezioni per indagare sul mistero di MATERIA

Tre lezioni per indagare sul mistero di MATERIA ENERGIA INFORMAZIONE Udine, 15 maggio 2008 1 1

PREMESSA Le leggi della termodinamica - le regole che governano il moto degli atomi in un pezzo di materia – sono leggi sull’informazione La teoria della relatività – che descrive il comportamento degli oggetti a velocità altissime e sotto l’effetto della forza di gravità, è in realtà una teoria dell’informazione. La teoria quantistica che governa il mondo dell’infinitamente piccolo, è in realtà una teoria dell’informazione. Udine, 15 maggio 2008 2 2

Il concetto di informazione che va ben oltre il semplice contenuto di un disco rigido, lega tutte queste teorie in un’unica idea incredibilmente potente. Le leggi dell’informazione stanno dando ai fisici un possibile modo di comprendere i misteri più oscuri sui quali l’umanità abbia mai riflettuto. Udine, 15 maggio 2008 3 3

La Teoria della Relatività e la Meccanica Quantistica videro la luce prima della teoria di Shannon, ma dietro le apparenze le due teorie nascondono le basi della teoria dell’informazione come cercheremo di capire nelle prossime due lezioni. E proprio la Teoria dell’Informazione potrebbe essere la chiave per svelare i misteri della relatività e della meccanica quantistica e per fare luce sull’inquietante conflitto che le oppone. Udine, 15 maggio 2008 4 4

MATERIA MASSA ED ENERGIA Udine, 15 maggio 2008 5 5

Che cosa è la materia? Nelle scienze con il termine materia si intende tutto ciò che occupa uno spazio ed ha una massa. La materia si presenta in innumerevoli forme, identificate da proprietà diverse, che vengono percepite dai nostri sensi o evidenziate tramite strumenti scientifici. Siamo abituati infatti a designare con l'aggettivo "materiale" tutto ciò che può cadere sotto la percezione diretta dei nostri sensi: diciamo materiale quello che si vede, si tocca, si odora, si gusta e di cui si può udire il suono. Udine, 15 maggio 2008 6 6

Al livello macroscopico, cioè quello della nostra scala umana, questa è una definizione operativa adeguata. Nel linguaggio comune chiamiamo, poi, "corpi" gli oggetti (enti) "materiali", specialmente quelli solidi, ma in senso ampio anche i liquidi e aeriformi, così come quelli che si possono osservare indirettamente mediante degli strumenti. Con il termine «materia» viene quindicata una sorta di tessuto costitutivo dei corpi, indipendentemente da come esso si differenzia nei diversi tipi di corpo. Udine, 15 maggio 2008 Prof. STRUMIA che cosa è la materia? 7 7

La necessità di introdurre una simile terminologia nasce, in prima istanza, dall'esigenza di distinguere - ciò che causa un'esperienza sensoriale - da ciò che è all'origine di un'esperienza di natura diversa, come quella interiore del pensare, del provare emozioni, del ricordare e del volere, che si presenta come fondamentalmente imponderabile, immateriale. Udine, 15 maggio 2008 8 8

FISICA CLASSICA L'interpretazione meccanicista della fisica classica vede, da un punto di vista filosofico, una confusione molto frequente fra "sostanza" e "accidente" cioè tra gli "oggetti" fisici e le loro "proprietà". Udine, 15 maggio 2008 9 9

Dal punto di vista filosofico, ad esempio, — la materia è "sostanza“ in quanto capace di sussistere per se stessa. — La massa e l'energia sono “accidenti” non sono delle "cose", non sono esse stesse sostanze, ma proprietà della materia, vale a dire "accidenti". Udine, 15 maggio 2008 10 10

TEORIA DELLA RELATIVITÀ C’è la tendenza alla sostanzializzazione di massa ed energia nella relatività ristretta La relatività ristretta, infatti, con l'equivalenza tra massa ed energia, ristabilisce la simmetria: non solo la materia, ma anche la radiazione (campo elettromagnetico) è dotata di "massa" Udine, 15 maggio 2008 11 11

MECCANICA QUANTISTICA Se la relatività ristretta ha unificato le due "proprietà" (accidenti) della massa e dell'energia, la meccanica quantistica, nella sua versione relativistica di "teoria quantistica dei campi", tende a comporre l'unità sostanziale di materia e radiazione Udine, 15 maggio 2008 12 12

in quanto ci presenta un complesso di onde-particelle in cui la distinzione tra ciò che classicamente si denotava come "materia" e ciò che si denotava come "radiazione", si assottiglia drasticamente. Materia e radiazione (nel senso lato di campo di interazione: gravitazionale, elettromagnetico, forte e debole, di cui si cerca l'unificazione) costituiscono più che due entità contrapposte, due modi di attuarsi, se vogliamo due "specie", di un'unica realtà, dotata di massaenergia, che ne è in certo modo il "genere". Udine, 15 maggio 2008 13 13

Dal punto di vista della tradizione filosofica, sembrerebbe naturale chiamare questo unico "genere" con il nome di "materia", intendendo che esso può attuarsi nelle due specie che obbediscono alle due statistiche quantiche: i "fermioni", dotati di spin semintero, che rappresentano la materia nel senso classico del termine e i "bosoni", di spin intero, che costituiscono il campo d'interazione. Udine, 15 maggio 2008 14 14

Dal punto di vista della fisica è più usuale denotare questo "genere" come "campo", che si attua nelle due "specie" dei "campi fermionici" e dei "campi bosonici". Udine, 15 maggio 2008 15 15

Non bisogna confondere il concetto di materialità con quello di impenetrabilità. Consideriamo una radiazione di energia: essa è compenetrabile, ma non è immateriale. Udine, 15 maggio 2008 16 16

Strumia-Teoria della Relatività Udine, 15 maggio 2008 17 17

SPIN In italiano vuol dire rotazione. Se il moto di una pallina è descritto dalle equazioni di Newton, lo spin è una grandezza fisica legata alla rotazione della pallina attorno al proprio asse (momento angolare). Lo spin in fisica atomica è stato introdotto per la prima volta per gli elettroni, i quali però, in certe condizioni, non somigliano affatto alle palline della fisica classica. In ogni caso, in meccanica quantistica, lo spin è ancora definito come momento angolare, ma si perde ogni riferimento alle rotazioni usuali. Le rotazioni legate allo spin avvengono in uno spazio astratto. Il momento angolare di spin è stato introdotto perché gli elettroni mostravano un grado di libertà in più rispetto a quelli aspettati e, come è usuale in meccanica quantistica, è quantizzato, cioè può assumere solo valori multipli di un'entità fondamentale con le dimensioni fisiche di un momento angolare: Udine, 15 maggio 2008 18 18

la costante di Planck h = 6, 63 10 -27 erg s. In particolare, l'elettrone può avere solo spin uguali in valore assoluto a h/4π. Si dice che l'elettrone ha spin 1/2, sottintendendo 1/2 del quanto elementare h/2π. Lo spin ha un ruolo fondamentale nella meccanica quantistica, le particelle si dividono infatti in due grandi categorie: quelle che hanno spin semintero come l'elettrone (1/2, 3/2, ecc. ) e quelle che hanno spin intero (1, 2, ecc. ). Le prime si chiamano fermioni, in onore di Fermi le particelle di spin intero si chiamano bosoni in onore del fisico indiano Bose. Udine, 15 maggio 2008 19 19

Nella prima versione della meccanica quantistica lo spin dovette essere aggiunto, per così dire, "a mano", altrimenti non si sarebbero spiegati alcuni fenomeni atomici e alcuni esperimenti. Solo dopo che Dirac introdusse nella teoria quantistica le correzioni imposte dalla relatività ristretta di Einstein (quando l'elettrone si muove a velocità confrontabili con quella della luce) lo spin emerge in modo naturale dall'equazione di Dirac, generalizzazione relativistica dell'equazione di Schrödinger della meccanica quantistica ordinaria. http: //www. torinoscienza. it/parole/apri? obj_id=400 Udine, 15 maggio 2008 20 20

Principio di esclusione di Pauli Ciascun elettrone, presente in un certo atomo, deve differire da tutti gli altri elettroni almeno per un numero quantico. Tutti i fermioni obbediscono al PRINCIPIO DI ESCLUSIONE DI PAULI. Udine, 15 maggio 2008 21 21

In altre parole In un sistema di fermioni, le particelle tendono ad occupare tutti i livelli energetici disponibili, disponendosi in modo che non esistano due particelle con la stessa energia. In un sistema di bosoni, invece, tutte le particelle tendono a disporsi sul livello di energia più basso. Udine, 15 maggio 2008 22 22

PARTIAMO DALL’INIZIO Udine, 15 maggio 2008 23 23

MASSA INERZIALE E GRAVITAZIONALE Nella meccanica newtoniana la massa inerziale e la massa gravitazionale sono due concetti diversi. La definizione operativa di massa inerziale è diversa, indipendente, da quella di massa gravitazionale, quindi sono due grandezze fisiche diverse. Non c’è motivo di ritenere a priori che non possano esistere corpi facili da accelerare ma che attirino intensamente altri corpi Però l’esperienza ci dice che in natura questo non avviene mai Udine, 15 maggio 2008 24 24

L’esperienza ha messo in evidenza che i risultati ottenuti con la bilancia sono sempre in accordo con i risultati ottenuti con il confronto delle accelerazioni. Detta mg la massa gravitazionale di un corpo, il suo peso si può esprimere come Fp = mg. g Per la seconda legge della dinamica, tale forza imprimerà al corpo una accelerazione inversamente proporzionale alla sua massa inerziale mi F = mi. a Fp /mi = a a = (mg/mi). g Udine, 15 maggio 2008 25 25

tale accelerazione, quella con cui cadono gli oggetti nel vuoto, sarebbe diversa per corpi a cui corrispondessero diversi valori del rapporto Massa gravitazionale / Massa inerziale cioè mg/mi Udine, 15 maggio 2008 26 26

il dato sperimentale è che a è la stessa per tutti i corpi, quindi mg = m i a = g sarebbe ragionevole aspettarsi che il rapporto mg/mi dipenda da elementi quali la composizione chimica del corpo, la sua temperatura o qualche altra caratteristica fisica del corpo, l’accelerazione in caduta libera sarebbe allora diversa per oggetti diversi. Udine, 15 maggio 2008 27 27

IL POSTULATO DI EQUIVALENZA L’IDENTITÀ TRA MASSA INERZIALE E GRAVITAZIONALE È IL POSTULATO SU CUI SI FONDA L’INTERA TEORIA DELLA RELATIVITÀ GENERALE DI EINSTEIN Il significato fisico dell’uguaglianza tra massa inerziale e massa gravitazionale resta sconosciuto. La massa è il concetto più criticato della fisica che “sembra eludere tutti i tentativi di una chiarificazione completa e di una definizione logicamente e scientificamente inattaccabile” MAX JAMMER, STORIA DEL CONCETTO DI MASSA Udine, 15 maggio 2008 28 28

Relatività Ristretta come mai il fatto che l’energia possiede massa e che la massa rappresenta energia è rimasto così a lungo allo scuro? Einstein Udine, 15 maggio 2008 29 29

L’ENERGIA PESA Affermano Einstein e Infeld “A pag. 52 (L’EVOLUZIONE DELLA FISICA) ci domandammo già una volta se un pezzo di ferro pesa più quando è rovente di quando è freddo. La risposta fu allora: no. Ora invece è sì. ” Pag 207 di L’EVOLUZIONE DELLA FISICA Udine, 15 maggio 2008 30 30

Ciò è dovuto al piccolissimo rapporto di scambio tra materia ed energia. Paragonata alla massa l’energia è come una moneta molto deprezzata di fronte ad un’altra di altissimo valore. La quantità di calore necessaria per convertire 30000 t di acqua in vapore non peserebbe più di 1 g circa! L’energia è stata considerata così a lungo imponderabile, semplicemente perché la massa che essa rappresenta è così piccola! Udine, 15 maggio 2008 31 31

PERCORSO DI EINSTEIN IN L’EVOLUZIONE DELLA FISICA - L’interpretazione meccanicistica - Il campo: superamento dell’interpretazione meccanicistica - Da questo percorso nasce una nuova realtà, una nuova idea di materia ed energia Udine, 15 maggio 2008 32 32

Il criterio meccanicistico descrive tutti i fenomeni in base a forze semplici agenti tra particelle materiali Udine, 15 maggio 2008 33 33

La teoria cinetica della materia Lo sviluppo della teoria cinetica della materia è uno dei maggiori avvenimenti scientifici, realizzatosi sotto l’influenza diretta di detto criterio: il criterio meccanicistico. Forze dipendenti unicamente dalla distanza e dirette seconda la congiungente le due particelle che interagiscono. Udine, 15 maggio 2008 34 34

Decadenza dell’interpretazione meccanicistica La prima grave difficoltà: l’esperimento di Oersted. Questo esperimento è assai interessante almeno per due motivi: 1. rivela una relazione tra fenomeni apparentemente diversi come sono il magnetismo e la corrente elettrica Udine, 15 maggio 2008 35 35

2. l’interesse maggiore però deriva dal fatto che la forza agente tra il polo magnetico e le piccole porzioni di filo attraverso cui passa la corrente non può giacere lungo linee congiungenti il filo e l’ago, ovvero tra le particelle del fluido elettrico in moto nel fluido e i dipoli magnetici elementari dell’ago. LA FORZA è PERPENDICOLARE A QUESTE LINEE DI CONGIUNZIONE PER LA PRIMA VOLTA CI TROVIAMO IN PRESENZA DI UNA FORZAAFFATTO DIVERSA DA QUELLA CUI VOLEVAMO RICONDURRE TUTTE LE AZIONI DEL MONDO ESTERNO, IN BASE AL PUNTO DI VISTA MECCANICISTICO Udine, 15 maggio 2008 36 36

Il problema della luce e il problema dell’etere La luce corpuscolo o onda? Il tentativo di interpretare i fenomeni naturali partendo da criteri meccanicistici, condusse all’invenzione di sostanze artificiose quali i fluidi elettrici e magnetici, i corpuscoli luminosi e l’etere. La fisica moderna ha attaccato tutti questi problemi e li ha risolti. Ma dalla lotta impegnata per giungere ad una soluzione sono sorti nuovi e più complessi problemi. La nostra conoscenza è oggidì più vasta e più profonda di quella dei fisici del secolo XIX, ma altrettanto può dirsi dei nostri dubbi e delle nostre difficoltà. Einstein e Infeld - L’evoluzione della fisica – pag 131, Boringhieri Udine, 15 maggio 2008 37 37

Campo ed etere interpretazione meccanicistica campo oltre l’interpretazione meccanicistica Per il fisico dei primi anni del secolo XIX, il campo non esisteva. Egli considerava come reali soltanto la sostanza e le sue modificazioni. Al principio il concetto di campo non fu altro che uno strumento volto ad agevolare la comprensione dei fenomeni dal punto di vista meccanico. Ma nel nuovo linguaggio del campo l’essenziale per la comprensione dell’azione a distanza fra due cariche, è la descrizione del campo interposto fra di esse e non già le cariche stesse. Fu così che il campo lasciò in ombra la sostanza. Si era creata una nuova realtà, un nuovo concetto che non trovava posto nello schema meccanicistico. Per il fisico moderno il campo elettromagnetico è altrettanto reale quanto la sedia su cui egli siede. Udine, 15 maggio 2008 38 38

E = mc 2 Che cosa significa? L’energia sotto tutte le sue forme si comporta come la materia. Secondo la Teoria della relatività non c’è differenza essenziale tra massa ed energia L’ENERGIA POSSIEDE MASSA E LA MASSA RAPPRESENTA ENERGIA Einstein e Infeld L’evoluzione della fisica Udine, 15 maggio 2008 39 39

CAMPO E MATERIA L’interpretazione meccanicistica è fallita perché era impossibile spiegare tutti i fenomeni ammettendo che forze semplici agissero su particelle inalterabili. Il primo tentativo di superare il criterio meccanicistico introducendo il concetto di campo si mostrò assai fertile specie nell’ambito dei fenomeni elettromagnetici Ci troviamo ora di fronte a due realtà: la materia e il campo. Einstein e Infeld Udine, 15 maggio 2008 40 40

Einstein e Infeld Udine, 15 maggio 2008 41 41

La Teoria della relatività accentua l’importanza che nel dominio della fisica spetta al concetto di campo. Finora però non siamo riusciti a formulare una fisica basata sul puro campo. Per il momento dobbiamo ancora ammettere la consistenza del binomio campo e materia. Einstein e Infeld Udine, 15 maggio 2008 42 42

I QUANTI DI LUCE E LE ONDE DELLA MATERIA Udine, 15 maggio 2008 43 43

Einstein e Infeld Udine, 15 maggio 2008 44 44

La Teoria Quantistica dei Campi La teoria quantistica dei campi si propone di descrivere la fisica dei fenomeni che si svolgono su scala atomica, tenendo conto della teoria geometrica dello spazio–tempo introdotta dalla relatività generale. In parole povere si tratta dell’unificazione della meccanica quantistica con la meccanica relativistica. È una teoria che non ha risolto ancora tutti i problemi che si presentano. Udine, 15 maggio 2008 45 45

Conflitto tra TR e MQ ATTENZIONE! Le equazioni delle due teorie, la Teoria della Relatività e la Teoria Quantistica, se combinate, iniziano a tossicchiare e a fare fumo come una vecchia carretta. Udine, 15 maggio 2008 46 46

il conflitto tra relatività generale e meccanica quantistica grida che abbiamo bisogno di un livello di comprensione più profondo. O dobbiamo forse concludere che l'universo è scisso, a livello fondamentale, e che sono necessarie delle leggi per gli oggetti grandi e delle altre leggi (incompatibili con le prime) per quelli piccoli? Udine, 15 maggio 2008 47 47

MA IL CONFLITTO PRINCIPALE IL PARADOSSO EPR, oltre la materia e l’energia? Ricapitoliamo e semplifichiamo: su una delle due particelle che provengono da una fonte comune viene condotta una "alterazione" di stato, Bell ha dimostrato che la seconda particella che sta viaggiando alla velocità della luce in direzione opposta alla prima, viene inspiegabilmente anch'essa alterata a causa della modificazione imposta alla prima particella. Udine, 15 maggio 2008 48 48

Per i fisici quantistici, ciò presenta un paradosso al tempo stesso eccitante e fonte di inquietudine. La velocità della luce è un valore assoluto, una costante universale irrefutabile che non può essere negata: e allora com'è possibile che una particella alteri lo stato dell'altra quando una comunicazione tra le due è impossibile? La ricerca di una risposta a questo interrogativo ha tormentato i fisici fin da quando il test venne ideato negli anni Sessanta. Esistono numerose spiegazioni, ma quella che trova più seguito sembra essere la seguente: se alcune particelle subatomiche sono state insieme, esse conservano un' «affinità» permanente che sembra in qualche modo trascendere le limitazioni fisiche. Udine, 15 maggio 2008 49 49

Tutto questo comunque porta all'esistenza di un conflitto fondamentale tra le modalità di analisi del mondo fisico: le Teorie della Relatività, infatti, impongono, un limite di velocità al trasferimento delle informazioni, mentre la Meccanica Quantistica suggerisce che in determinate situazioni è possibile superare questo limite di velocità? Udine, 15 maggio 2008 50 50

In un convegno internazionale di fisica tenutosi in Italia ad Amalfi il 7 maggio 1984 il discorso di John Bell si concluse così: Siamo in presenza di una evidente incompatibilità, al livello più profondo, tra i due pilastri su cui si basa la scienza contemporanea, (Teoria della Relatività e Meccanica quantistica). Attendo pertanto con piacere quelle tavole rotonde in cui lasceremo da parte gli sconvolgenti dettagli tecnici degli ultimi sviluppi per riflettere su questa strana situazione. Forse una vera sintesi tra la Meccanica quantistica e le Teorie della Relatività non ha bisogno solo di progresso tecnico ma di un radicale rinnovamento concettuale. " http: //www. performancetrading. it/Documents/La. Realta/La. R _Teorema. Bell. htm Udine, 15 maggio 2008 51 51

BIBLIOGRAFIA A. Einstein – L. Infeld: L’evoluzione della fisica Universale scientifica Boringhieri Caldirola Casati Tealdi: Corso di fisica per i Licei Scientifici http: //www. ciram. unibo. it/~strumia/presentazioni/Materia/I/I. html MATERIA http: //matematica. unibocconi. it/dossiermajorana/majoranabiblio. htm Maiorana tra realismo e astrazione Udine, 15 maggio 2008 52 52

E = mc 2 MA DAL DIRE AL FARE … Ma, in pratica, prima la materia o l’energia? Udine, 15 maggio 2008 53 53

N. G. Roegen ha dedicato parte dei sui studi per evidenziare un dualismo esistente per le leggi fisiche dell'entropia. Queste possono essere descritte come segue: a) nessun lavoro meccanico è ottenibile senza impiego di energia, b) nessun lavoro meccanico è ottenibile senza che parte dell'energia si degradi in forma non disponibile; c) nessun sistema reale può essere completamente depurato dell'energia non disponibile (non utilizzabile). Udine, 15 maggio 2008 54 54

Nel caso della materia possiamo affermare: nessun lavoro meccanico è ottenibile senza impiego di materia, nessun lavoro meccanico è ottenibile senza che parte della materia si degradi in una forma non disponibile, e nessuna sostanza o materiale può essere completamente depurata degli elementi che la contaminano (non possiamo riportare la materia dopo i cicli di utilizzo esattamente nelle condizioni originarie). Udine, 15 maggio 2008 55 55

In un solo concetto: la materia disponibile si degrada ininterrottamente e irreversibilmente in materia non disponibile (ossia non più utilizzabile): la legge dell'entropia vale anche per la materia e non solo per l'energia. Udine, 15 maggio 2008 56 56

“La lezione importante dalle considerazioni precedenti è che per la descrizione completa dei fenomeni macroscopici dobbiamo tener presente anche ciò che accade alla materia, e non solo ciò che accade all'energia. ” Udine, 15 maggio 2008 57 57