Cronologia: fisica moderna

1690teoria ondulatoria della luce, Christiaan Huygens, 1690 (nell’etere)

Esperimento di Young -1913

Young-luce-onda-1801

1801 – esperimento di Thomas Young, dimostra la natura ondulatoria della luce, una doppia fenditura genera una figura di interferenza formata da bande alternatamente scure e luminose.

1864 – il campo elettromagnetico di James Clerk Maxwell (1831-1879); natura ondulatoria della luce. Il colore è la frequenza della luce.

1881/7 – Interferometro di Michelson. L’esperimento di Michelson-Morley per misurare la velocità della luce dimostra l’inesistenza del vento d’etere

1887 – Esperimento di Michelson e Morley: velocità della luce nello spazio è indipendente: l’etere luminifero non esiste. (Etere: sostanza invisibile attraverso cui si propagano le onde elettromagnetiche secondo la fisica del XIX sec.) Interferometro di Michelson

L’interferometro di Michelson  permette di dividere in due un fascio di luce per poi farli riconvergere in un’unica figura che mostra l’interferenza.

1900corpo nero ipotizzato da Max Planck (1858-1947): radiazione elettromagnetica è costituita dai quanti: pacchetti di energia proporzionale alla frequenza dell’onda elettromagnetica. I quanti sono granuli di energia indivisibili; sono quantità di energia finite e discrete.

1896 – J.J. Thomson: identifica particelle, corpuscoli, con carica negativa che in seguito saranno gli elettroni.

1902 – emissione di elettroni dalla superficie di metalli quando colpiti dalla luce, von Leonard.

1904 – sempre Thomson propone un modello atomico detto a panettone, perché i corpuscoli di carica negativa sono immersi in modo regolare in una “pasta” con carica positiva. immagine

modello atomico di Thomson

1905effetto fotoelettrico-  Albert Einstein teorizza che l’energia del fascio di luce è distribuita in pacchetti, ovvero quanti, di grandezza hv, interamente trasferibile all’elettrone. 

Energia degli elettroni emessi: T = hv – W (W=lavoro di estrazione dell’elettrone). Osservazione sperimentale: maggiore frequenza significa maggiore energia, mentre l’intensità indica solo il numero degli elettroni. quanti, elettroni. fotoni

Einstein: «La consueta concezione, per la quale l’energia della luce si distribuisce in modo continuo nello spazio irradiato, incontra, nel tentativo di spiegare i fenomeni fotoelettrici, notevoli difficoltà, che sono state fatte oggetto di uno studio particolarmente approfondito dal Signor Lenard. Partendo dal principio che la luce eccitatrice è costituita di quanti di energia hν, l’emissione di elettroni si può spiegare nel seguente modo. I quanti di energia penetrano nello strato superficiale del corpo e la loro energia si trasforma, almeno in parte, in energia cinetica di elettroni… Inoltre va supposto che ogni elettrone, nell’abbandonare il corpo, debba effettuare un lavoro w (che è caratteristico del corpo considerato). Ad uscire dal corpo con la massima velocità normale saranno gli elettroni eccitati che si trovano direttamente alla sua superficie e che acquistano una velocità normale ad essa».

1908 – Einstein: quantizzazione della luce – Se per Planck solo gli scambi di energia sono quantizzati, con Einstein la radiazione stessa viene quantizzata.

1911modello atomico di Rutherford immagine

modello atomo di Rutherford – 1911

è detto planetario, infatti gli elettroni ruotano attorno al nucleo, denso e con carica positiva, come i pianeti attorno sole. Si spostano lungo orbite circolari immersi in un grande spazio vuoto. Attribuisce lo scattering delle particelle alfa alla carica del nucleo. Domanda: come fa l’elettrone a non schiantarsi contro il nucleo?

1912 – Albert Einstein spiega la curvatura dello spazio-tempo.

1913modello atomico di Bohr. Ampliato nel 1926 da Sommerfeld. Momento angolare dell’elettrone è un multiplo intero della costante di Planck ridotta; transizione di un elettrone da uno stato all’altro genera o assorbe energia nello scambio con il campo elettromagnetico; 

Gli elettroni possono stare solo su certe orbite attorno al nucleo, e possono saltare da un’orbita all’altra solo per interazione con pacchetti di energia che hanno una particolare frequenza d’onda. Un elettrone non eccitato rimane sulla propria orbita stazionaria (però non si spiega come non cada sul nucleo). Se eccitato dalla luce (o altra sollecitazione elettromagnetica) può solo saltare su un altro orbitale definito secondo la scala di Planck (e non qualsiasi o altro). Nel passaggio da un livello maggiore a uno minore vi è emissione di una quantità di energia. modello di Bohr

modello atomico di Bohr e salti quantici

modello atomico di Bohr e salti quantici

 

Bohr non spiega come è fatto l’atomo, ma permette di interpretare i dati spettrografici della sperimentazione.  Allarga l’area della quantizzazione agli scambi (pacchetti) di energia ma non all’elettrone. 

Resta da capire se l’elettrone passando da un’orbita all’altra passerà in mezzo o no. 

1915relatività generale di Einstein: spaziotempo a quattro dimensioni, gravità è la manifestazione della curvatura spaziotempo.

1915 – Einstein: nella interazione con la materia i quanti trasferiscono oltre all’energia anche un impulso  p= h/λ  – Anticipa formula di De Broglie e rafforza l’idea di particella della luce, ossia il “futuro” fotone (Frithiof Wolfers 126).

Nell’esperimento della fenditura è la frequenza dell’impulso che deve essere regolata per aumentare o diminuire l’interferenza.

1919protone: prima prova sperimentale del modello atomico di Rutherford con il protone di carica positiva.  protone-descrizione

Wikipedia: “Il valore della carica elettrica è uguale a quello dell’elettrone, ma di segno opposto (1,602 × 10−19 C). La massa a riposo è pari a circa 1,6726231 × 10−27 kg (9,3828 × 102 MeV/c²), leggermente inferiore a quella del neutrone e circa 1836 volte superiore a quella dell’elettrone. È interessante notare che gran parte della massa del protone (come di quella del neutrone) è determinata dall’energia del campo gluonico che tiene uniti i quark, piuttosto che dalla loro massa propria.”

1919 – durante un’eclissi solare, Arthur Eddington verifica che la luce emanata da una stella è deviata dalla gravità del sole

1921 – Einstein: “Sulla teoria speciale e generale della relatività

1922effetto Compton: l’urto tra un fotone e un elettrone genera uno scambio di energia. L’elettrone non ha massa ma conserva una quantità di moto. Nel passaggio da fotone incidente a fotone diffuso (urto) cambia la lunghezza d’onda. p = h/v

1923 – Compton: natura quantica dei raggi x, conferma che fotone è una particella.

1924ipotesi di Louis De Broglie (1892-1987): tutta la materia, e non solo la luce, ha proprietà anche ondulatorie.

Ogni particella si propaga a cavallo di un’onda “pilota” con lunghezza d’onda : λ= h/mv  (quantità di moto d. particella= mv).

Conferma nel 1926/27, diffrazione osservata nei cristalli di nichel con l’esperimento Davisson/Germer.

Nell’esperimento della fenditura è la frequenza dell’impulso che deve essere regolata per aumentare o diminuire l’interferenza.

1925principio di esclusione di Wolfang Pauli: due elettroni identici non possono occupare lo stesso stato quantico.

1925 –  massa ed energia si conservano nei processi atomici (Walther Bothe e Hans Geiger)

1926 – Erwin Schroedinger sviluppa la meccanica ondulatoria. Viene introdotto il termine fotone. Max Born dà un’interpretazione in termini probabilistici della meccanica quantistica.

1926 – Lewis conia il termine fotone per indicare il quanto di luce di Einstein.

1927principio di complementarità di Niels Bohr. (1885-1962): nella dimensione subatomica i fenomeni mostrano un duplice aspetto che rende impossibile osservare (misurare) contemporaneamente certe coppie di valori. Ogni aspetto esclude l’altro, ma proprio per questo secondo Bohr sono anche complementari e coesistono. per esempio

dualismo onda-particella: la diffrazione degli elettroni evidenziava l’aspetto ondulatorio delle particelle. 

1927principio di indeterminazione di Werner K. Heisenberg (1901-1976):  Osservare significa interagire, ciò preclude la validità rigorosa del principio di causalità.

“misura simultanea di due variabili coniugate, come posizione e quantità di moto o energia e tempo, non può essere compiuta senza una quota di incertezza minima ineliminabile”. È impossibile misurare contemporaneamente le proprietà di un oggetto. principio di indeterminazione vs causalità

Heisenberg: “Si potrebbe essere indotti erroneamente a supporre che al di là del mondo statistico percepito si celi ancora un mondo “reale”, nel quale è valida la legge di causalità. Ma tali speculazioni ci sembrano, insistiamo su questo punto, infruttuose e insensate. […] Si può caratterizzare molto meglio il vero stato delle cose in questo modo: poiché tutti gli esperimenti sono soggetti alle leggi della meccanica quantistica, […] mediante la meccanica quantistica viene stabilita definitivamente la non validità della legge di causalità

1928 – L’equazione di Dirac descrive il moto dei fermioni.

1930Mare di Dirac: il vuoto sarebbe come un mare infinito di particelle a energia negativa, tali stati saranno in seguito successivamente identificati con le antiparticelle.

1931/33 – Pauli propone l’esistenza di una particella senza massa e senza carica per spiegare lo spettro del decadimento beta (vedi neutrino e Fermi …)

1932 – James Chadwick scopre al Cavendish Laboratory di Cambridge il neutrone.

1932 – Karl Anderson al CalTech scopre il positrone, confermando così la teoria di Dirac.

1933 – premio Nobel a Schrodinger e Dirac

1933 – teoria di decadimento di raggi β e ipotesi di Pauli del neutrino in un articolo di Fermi: introduce i cambiamenti di sapore nelle particelle

1935EPR Il paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen: teoria quantistica è incompleta, vi sarebbero variabili nascoste…se considerassimo come impossibile superare la velocità della luce.

criterio di realtà (o di esistenza – una cosa è reale se esiste) esistenza e predicibilità sono concetti collegati

In fisica il realismo locale significa che a) una misurazione rivela una proprietà preesistente nella realtà fisica e b) il rapporto tra due eventi può essere di causa-effetto solo se sono collegati da una catena causale di eventi con velocità minore di quella della luce.

Secondo Einstein la MQ viola il principio di causalità locale,

il principio di causalità locale dice che eventi separati e lontani non possono influenzarsi perché dovrebbero agire ad una velocità superiore a quella della luce.EPR -citazioni

EPR «Se, senza disturbare in alcun modo un sistema, possiamo predire con certezza il valore di una quantità fisica, allora esiste un elemento di realtà fisica corrispondente a questa quantità fisica.»

La nostra descrizione della realtà  si basa sulla affidabilità delle nostre predizioni su di essa. Ma scrissero anche: «Ci sembra che questo criterio, sebbene non esaurisca tutti i modi possibili per riconoscere una realtà fisica, ci fornisca almeno uno di questi modi, quando le condizioni poste in esso si verifichino. Considerato non come condizione necessaria di realtà, ma soltanto come condizione sufficiente, questo criterio è in accordo con le idee di realtà sia della meccanica classica che quantistica»

1935 – entanglement, il gatto di Schrodinger (1887-1961). Sovrapposizione quantistica, stati che sono sovrapposti

1944 – Negentropy di E. Schrodinger

1951 – David Bohm: Riformulazione della teoria e dell’esperimento mentale EPR.

1960 circa – equazione Wheeler-DeWitt. “funzionale d’onda dell’universo”, (quantizzazione della teoria della relatività generale).

1964 – teorema della disuguaglianza di J. S. Bell: porta conferme contro la teoria fisica locale a variabili nascoste sostenuta dal paradosso EPR: “le raccapriccianti azioni a distanza”, sono reali.

1974 – Modello standard delle particelle elementari – John Iliopoulos presenta, per la prima volta in un’elaborazione unitaria, la concezione che sarà nota come Modello Standard. standard model

modello standard

modello standard particelle (1970/75)

 

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materiali vari online

Einstein papers fino 1925

esperimenti mentali

Scatola di luce di Einstein (Infn) 

Esperimenti scientifici mentali: da prove di validazione ad elementi di falsificazione. (fisicamente.net  > 2010)

Gli esperimenti mentali di Einstein, CISM_Comini 2018

Dalla freccia di Lucrezio all’ascensore di Einstein: alcune considerazioni sul ruolo degli esperimenti mentali nella scienza, (Rivista di Estetica, 2009, M. Dorato)

Esperimenti mentali con la gravità, Spazio-tempo-luce-energia, M. Diodati 2019

storia e vicende

il Modello Standard 1964 – 1998 (infn.it)

slide e immagini

Danilo Babusci 2011 (Infn)

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Copiaincollaquaelà

Paul Dirac: equazione dell’amore (∂+m)ψ=0 secondo la quale, se due sistemi interagiscono tra loro per un certo periodo di tempo e poi vengono separati, non possono più essere descritti come due sistemi distinti, ma diventano un unico sistema.

 

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