Fisica
La fisica è alla base di tutte le
altre scienze della natura e di gran parte della tecnologia, in quanto si
occupa sia della materia, delle sostanze e dei corpi che possono essere oggetto
di studio in problemi scientifici, sia delle leggi che governano le loro
interazioni, singolarmente o nel loro insieme.
Quasi ogni campo della fisica viene convenzionalmente diviso in due
sottodiscipline: sperimentale e teorica. Nel sec. XX raramente il fisico si
impegna attivamente in ambedue questi campi, perché le tecniche necessarie,
quella pratica per lo sperimentale e matematica per il teorico, sono diventate
estremamente specializzate. Nonostante questo, i teorici devono basarsi sui
risultati sperimentali per controllare, migliorare o scartare le loro teorie,
mentre gli sperimentali, dal canto loro, per poter progettare esperimenti
validi, hanno bisogno di essere al corrente delle predizioni cruciali contenute
nelle teorie.
In ogni campo della fisica, dove è attiva la ricerca, esiste un corpo di
conoscenze, leggi e principi, che sono stati ripetutamente verificati con
l'esperienza. In questi campi, l'attività di ricerca teorica e sperimentale
consiste nell'estensione di queste idee ad altre situazioni fisiche, in cui
nuovi effetti sono predetti o osservati.
I teorici, specialmente quando non sono in grado di risolvere le equazioni a
cui le loro teorie li hanno portati, cercano di procedere per ipotesi, per
analogie o attraverso ragionamenti basati su simmetrie (v. fisica
teorica).
Gli sperimentali tentano di raggiungere, anche con l'aiuto di moderni e
veloci computer, la massima precisione che il loro particolare esperimento
permette.
Talvolta la natura sorprende ambedue i gruppi di ricercatori con fenomeni
inaspettati, che poi gli sperimentali cercano di rimisurare con precisione
sempre maggiore, e i teorici tentano di comprendere in base a schemi teorici
più ampi possibile. In tutti i campi in cui procede una seria ricerca fisica,
lo scopo fondamentale consiste nello scoprire nuove leggi di interazione (v.
interazioni fondamentali) e simmetrie (v. simmetria), o nuove forme comprendenti
interazioni precedentemente note, oppure di capire le proprietà complessive
della materia, partendo dalle interazioni note fra pochi costituenti e
generalizzandole a una descrizione delle proprietà medie della materia nel suo
insieme.
Le tre leggi del moto di sir Isaac Newton
costituiscono le basi della dinamica
e della cinematica,
che trattano del moto; al contrario, la statica
studia la materia in quiete quando è sottoposta a effetti di tensioni e
deformazioni. Finché le velocità sono molto minori della velocità della luce,
c, e nelle situazioni terrestri in cui le masse degli oggetti considerati sono
minori della massa del Sole, le leggi di Newton hanno fornito una descrizione
accurata del moto di qualsiasi oggetto finora misurato, in tutte le possibili
situazioni, a partire da singoli e macroscopici pezzi di materia, fino a flussi
continui di materia fluida, come per esempio i liquidi e i gas (v. meccanica dei
fluidi).
Le leggi di Newton sono semplici:
-
Gli oggetti in moto (o in quiete) rimangono in moto (o in quiete) a meno
che non siano sottoposti a forze esterne;
-
Una qualsiasi forza esterna F applicata a un corpo di massa m produce
un'accelerazione a secondo la formula F = ma;
-
ogni azione è controbilanciata da una reazione uguale e opposta.
Un punto fondamentale di queste leggi è la definizione di Newton di sistema
inerziale (il sistema di coordinate rispetto a cui si definisce la
velocità) che egli considerò essere il sistema delle stelle fisse.
Negli ultimi secoli, la termodinamica si è sviluppata in seguito ai
tentativi degli scienziati di comprendere le proprietà complessive della
materia solida, liquida e, specialmente, gassosa, quando sia soggetta a
cambiamenti lenti di pressione, temperatura e volume. La termodinamica
si basa su concetti fondamentali, come la differenza fra l'energia
interna e l'energia libera
di una sostanza, e sul concetto di entropia
(una misura del disordine di un sistema).
Durante l'ultimo secolo, l'argomento della meccanica statistica (v. teoria
cinetica della materia; termodinamica statistica) si è evoluto come metodo per
giustificare e migliorare la termodinamica, attraverso il calcolo delle medie
dei fenomeni dinamici relativi ai miliardi e miliardi di atomi che costituiscono
tutte le sostanze macroscopiche. In questo modo le leggi della termodinamica
possono essere derivate da un punto di partenza fondamentale. Gran parte della
ricerca corrente in questo campo riguarda fenomeni critici, cioè le proprietà
speciali e universali delle sostanze durante i cambiamenti da una fase
all'altra, come per esempio durante la transizione da un liquido a un gas.
Le leggi che governano la produzione dei campi elettrici e magnetici, e le
loro interazioni con le cariche elettriche e le correnti, furono completamente
comprese verso la fine del sec. XIX (v. elettricità; magnetismo) e sono
espresse dalle equazioni di Maxwell.
Queste quattro relazioni fondamentali, nella forma di equazioni differenziali,
tengono conto delle interrelazioni, verificate sperimentalmente, di questi campi
con le cariche e le correnti che li producono, e che a loro volta i campi
influenzano:
-
la produzione di campi elettrici da parte di cariche elettriche
isolate;
-
la produzione di campi elettrici da parte di campi magnetici variabili
nel tempo;
-
le restrizioni sulla forma di un qualsiasi campo magnetico a causa
dell'assenza sperimentale dei poli magnetici isolati;
-
la produzione di campi magnetici
da parte di correnti elettriche o da parte di campi elettrici variabili nel
tempo.
Quest'ultimo effetto fu proposto da James
Clerk Maxwell per ragioni di simmetria e per conservare la carica elettrica,
e fu verificato più tardi (1887) da Heinrich Hertz.
La sua proposta si dimostrò la chiave per comprendere la produzione di campi
elettrici e magnetici oscillanti che si propagano nello spazio con velocità c
circa uguale a 30.000.000 cm/s. Tali onde elettromagnetiche sono costituite da
un ampio spettro di oscillazioni, onde radio di lunghezza chilometrica,
microonde (radar) centimetriche, luce visibile di lunghezza d'onda di un
decimillesimo di cm, fino alla lunghezza d'onda dei raggi X e dei raggi gamma.
Fin dal 1900 era stata costruita una teoria pressoché completa dell'ottica, in
cui le proprietà della luce, come la riflessione, la rifrazione e
l'interferenza, venivano descritte sulla base delle equazioni di Maxwell per le
onde elettromagnetiche. Tuttavia, rimaneva ancora da spiegare la distribuzione
delle lunghezze d'onda nella radiazione elettromagnetica emessa da oggetti a
temperatura estremamente alta.
Nell'ultima parte del sec. XIX, l'evidenza sperimentale (v. Michelson-Morley,
esperimento di) indicò che la velocità
della luce, c, è indipendente dal moto della sua sorgente e dell'osservatore.
Questo fenomeno fu più tardi compreso da Albert
Einstein, che sviluppò la meccanica relativistica (v. relatività) che
costituisce una generalizzazione della meccanica di Newton nei casi in cui la
velocità delle particelle si avvicina a quella della luce. Einstein definì il
concetto di simultaneità, per permettere a osservatori in moto con velocità
diverse di usare differenti riferimenti di tempo e ipotizzò che c sia sempre
costante per tutti gli osservatori. Fra le conseguenze di questa teoria, c'è
quella che impedisce a qualsiasi particella dotata di massa di raggiungere o
superare la velocità della luce; se una particella invece ha massa zero, deve
muoversi alla velocità della luce, esiste una relazione fra massa m ed energia
E, data dall'equazione E = mc². La cinematica relativistica è essenziale per
la comprensione, sia delle interazioni, che della produzione di particelle
elementari ad alte energie e delle trasmutazioni di particelle instabili a tutte
le energie.
Max Planck suggerì (1900) che l'energia
elettromagnetica radiante si possa descrivere meglio in termini di eccitazioni
elementari ondulatorie, o quanti, la cui energia E è proporzionale alla loro
frequenza; perciò l'energia è uguale alla frequenza per una costante di
proporzionalità, h, detta costante di
Planck. Utilizzando l'idea di Planck, Niels Bohr
ipotizzò (1913) che in un atomo di idrogeno, il momento angolare L di un
elettrone, particella carica negativamente, sia quantizzato; cioè può avere
solo multipli interi di h (costante di Planck h divisa per 2 pi greco, ossia L =
nh. Secondo quest'ipotesi, un atomo può esistere solo in certi stati
specificati da un numero intero n. E' un'idea completamente diversa rispetto a
tutte le esperienze classiche, in cui un atomo costruito come un sistema
planetario dovrebbe poter avere una distribuzione continua dei valori della sua
energia. Quando un atomo esegue una transizione da uno stato di energia più
alta a uno di energia più bassa, la differenza di energia fra questi due
livelli è emessa come un singolo fotone; la frequenza di questa radiazione
perciò dipende dai due valori degli stati iniziali e finale. Applicato agli
spettri di varie sostanze, il modello di Bohr (e le sue successive modificazioni
relativistiche) predice con quasi perfetta accuratezza le frequenze della
radiazione osservata sperimentalmente. Tuttavia non fa alcuna predizione sulle
intensità delle diverse transizioni.
Forse la più importante novità riguardante la materia su scala atomica è la
necessità di usare la meccanica quantistica (o meccanica ondulatoria, come
talvolta è chiamata, per distinguerla dalla vecchia teoria quantistica di Bohr)
per la descrizione delle sue proprietà. L'idea base della moderna meccanica
quantistica è che per un'azione (in qualsiasi problema è una quantità con
dimensioni energia x tempo) sufficientemente piccola, la legge della meccanica
newtoniana deve essere integrata in modo che appaiano fluttuazioni delle
variabili ordinarie, o almeno che esse non possano essere evitate. La linea
divisoria per il "sufficientemente piccolo" è la costante h = 1,0545
per la ventisettesima potenza negativa di 10 erg s, che su scala macroscopica è
un numero estremamente piccolo. Questa teoria introduce il concetto di funzione
d'onda, o ampiezza di probabilità, che contiene le proprietà specifiche del
sistema studiato. In questa descrizione è contenuta l'idea del principio
di indeterminazione di Werner Karl
Heisenberg, che limita il prodotto delle incertezze di una qualsiasi coppia
di variabili coniugate a un valore dell'ordine maggiore di h.
Mentre la struttura elettronica dell'atomo può essere considerata come una
nube di densità, con carica negativa, alla distanza media di un
centimilionesimo di cm dal centro dell'atomo, tutta la carica positiva e quasi
tutta la massa dell'atomo si trova in un nucleo atomico molto più piccolo, il
cui raggio è dell'ordine di 0,000000000001 cm. I costituenti del nucleo sono i
protoni carichi positivamente, ciascuno con carica +e (uguale in grandezza ma di
segno opposto a quella dell'elettrone), e i neutroni elettronicamente neutri; i
protoni e i neutroni hanno approssimativamente la stessa massa, circa duemila
volte quella dell'elettrone. A tali piccole distanze una nuova forza
"forte" entra in gioco e lega i protoni e i neutroni nelle molte forme
stabili e instabili di materia nucleare (v. fisica nucleare). Molti tipi di
particelle fondamentali vengono prodotte copiosamente in reazioni ad alta
energia, quando una parte dell'energia delle particelle incidenti si converte in
massa di riposo dei mesoni (particelle di massa intermedia). E' stata anche
confermata sperimentalmente l'esistenza di antiparticelle (v. antimateria),
cioè oggetti con la stessa massa, ma carica elettrica opposta a quella della
rispettiva particella. Dal 1960 circa, gli studi sui mesoni, e su altre
particelle nucleari instabili, hanno suggerito un metodo matematico di
classificazione per tutte queste particelle a interazione forte. A sua volta,
questa classificazione matematica ha suggerito che un più fondamentale modo di
considerare le particelle che producono e sono soggette all'interazione forte,
è in termini di quark e gluoni, entità che, se esistono, posseggono alcune
strane proprietà, come per esempio una carica elettrica frazionaria. L'aspetto
più sorprendente dei quark e gluoni è che essi non sono mai stati individuati
separatamente e che probabilmente non potranno mai esserlo. Le ricerche teoriche
e sperimentali sulle proprietà dei quark e dei gluoni rappresentano
attualmente, la frontiera della ricerca fisica fondamentale.
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