Frontiere e metodologie del poi

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28/02/2014 19:09 - 09/02/2017 15:12 #129 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Frontiere e metodologie del poi
Frontiere e metodologie del poi
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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Gli articoli del gruppo Dove porta la concezione atomistica? nel programma globale di Saggi tematici sulla Fisica moderna sono volti a sviluppare un quadro storico e a ragionare su prospettive.

Riprendiamo le considerazioni esposte alla fine di Dalla Fisica Nucleare al bosone di Higgs . La " solida semplicità ” del quadro fornito dal Modello Standard non ha precedenti. La convivenza della radicale diversità tra quarks e leptoni con l’identica struttura in famiglie è stupefacente. L’identità strutturale tra “famiglie” di quarks e di leptoni propaga a esse lo stop a tre dato dal numero dei neutrini: la solita inflazione nel numero di particelle supposte elementari è fermata per tutti. Il mistero convive con la semplicità e quindi ancora più sconcertante dei “soliti misteri”. Quali ne sono le radici profonde? Come e dove scavare?
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Fig. 1. Il puzzle della Scienza
Immagine Laura Strolin
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Frontiere

Le frontiere degli esseri umani sono verso il mondo esterno e al loro stesso interno, per la vitale importanza della conoscenza di se stessi. Così la Scienza ha frontiere verso l’esterno “totalmente ignoto” e verso l’interno “ritenuto noto”. La figura 1 traduce in un “puzzle” la visione ora esposta.

Queste ultime sono più sottili e non sono viste da presuntuosi e ignoranti, ma sono spesso di natura fondamentale. Disse Isaac Newton : “Rationem vero harum Gravitatis proprietatum ex Phænomenis nondum potui deducere” ossia “In verità non sono riuscito a scoprire la causa della gravità dai fenomeni Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, 1687). Questa "frontiera interna" fu varcata oltre tre secoli dopo da Albert Einstein con la Teoria della Relatività Generale .

Presentando esempi, riflettiamo su frontiere e su metodologie per avventurarsi oltre i confini della Scienza di oggi: “Altissime energie”, “Rarità”, “Precisione” e “Sintesi”. Esse non vanno considerate in alternativa. Il progresso viene dalla loro cooperazione.
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Fig. 2. Cristoforo Colombo chiede fondi alla Regina Isabella
Litografia popolare (1840-50)
Immagine Library of Congress - USA
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Fig. 3. La navetta spaziale Atlantis in un lancio del 2010
Immagine Wikipedia


Altissime energie

L’equivalenza einsteiniana massa-energia E=m2 [/size] dice che sviluppando energie più alte in collisioni tra particelle è possibile produrre particelle di massa più elevata che denuncino (o confermino come nel caso del bosone di Higgs) nuovi fenomeni. E’ questa una “strada maestra”.

Le altissime energie offrono la possibilità di “esplorare l’ignoto”. Con un tale spirito David Livingstone (1813-73) si avventurò nelle terre allora incognite dell’Africa Centrale, denotate nelle mappe da una zona bianca o - secondo la tradizione - dalla già citata locuzione latina “Hic sunt leones”. Tra le sue scoperte vi furono le Cascate Vittoria , dedicate alla Regina del potentissimo Impero Britannico. Essendo egli stato dato per disperso, Henry Stanley fu inviato alla sua ricerca in un immenso territorio senza alcuna altra presenza di uomo bianco. Secondo uno squisito e “very british” aneddoto, Stanley si rivolse al finalmente trovato Livingstone con le famose parole: "Dr. Livingstone, I presume (in italiano: "Il dottor Livingstone, suppongo").

Il reperimento dei fondi ingenti necessari per realizzare collisioni tra particelle a energie sempre più alte presenta indubbie difficoltà. La litografia popolare ottocentesca in figura 2 mostra Cristoforo Colombo che si inginocchia davanti alla Regina Isabella di Castiglia per ottenere sostegno alla sua impresa. Egli ebbe le caravelle con il supporto di indicazioni che la Terra fosse rotonda e che si potesse trovare una nuova “Via delle Indie”. Poi scoperse l’imprevisto, ma un obiettivo era definito. Il lungimirante sostegno a Cristoforo Colombo spostò ricchezza e potere dal Mediterraneo ai paesi affacciati sull’Oceano Atlantico. Nel linguaggio di oggi diremmo che l’avventura sperimentale di Cristoforo Colombo fu “goal driven” ossia “motivata da un obiettivo”.

La costruzione del collisionatore protone-protone ad altissima energia il collisionatore LHC del CERN è iniziata come goal driven e il bosone di Higgs ne è stato il frutto sperato. A LHC vi è ancora molto lavoro da fare. La caccia alla Supersimmetria è stata infruttuosa . Per poter lanciare la costruzione di un collisionatore a energia ancora più alta, è auspicabile che nei prossimi anni a LHC o altrove si definisca un goal iniziale nella speranza che l’avventura porti poi anche altre scoperte.

I grandi e costosi progetti non sono esclusivamente per la fisica delle particelle elementari. Le caravelle dei nostri giorni sono i veicoli spaziali. La figura 3 mostra un lancio della navetta spazialeAtlantis” effettuato nel 2010 dall’agenzia spaziale americana NASA.
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Fig. 4. Basil l’Investigatopo
Immagine Pixmania


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Fig. 5. Misura di peso nell’Antico Egitto
Tomba di Nebamun, Tebe (1400-1300 a.C.)
British Museum, Londra
Immagine Istituto Comprensivo 10 - Bologna

Rarità

La figura 4 mostra Basil l’Investigatopo , un personaggio creato in Italia nel 1987 e ispirato al detective Sherlock Holmes di Arthur Conan Doyle (1859-1930). La lente simboleggia la metodologia della ricerca di un anche minimo indizio che porti a scoprire il misfatto. Il corrispondente in Fisica è lavorare alla frontiera della “rarità”, attraverso minuziose investigazioni sperimentali nella paziente e raffinata ricerca di processi rari e anche solo ipotetici. Essa ha varchi imprevedibili e della più grande varietà. Solo esempi possono illustrarne la natura.

Hic sunt neutrini dà un’idea dello scrigno di conoscenze ancora racchiuso nel neutrino. La ragione profonda della sua massa non nulla ma piccolissima vi è racchiusa e porta nel mondo del poi.

Siamo stati stupiti nell’apprendere o constatare che spezzando in due una barretta calamitata non restiamo con in una mano il polo Nord e nell’altra il Sud, ma in ambedue le mani si ricrea una calamita completa con due inseparabili poli. Gli scienziati lo sono addirittura al livello delle particelle elementari. Nell’elettrone e nelle altre particelle le “cariche elettriche” negative o positive vivono isolate: elettrone e positroni esistono seraratamente. Esistono particelle con “carica magnetica” isolata (nord o sud), dette “ monopoli magnetici ”? Nulla ne contraddice la possibilità, anzi nel 1931 Dirac formulò una teoria che la contempla. La loro esistenza implica nuovi orizzonti ed è collegata all’attuale mistero della quantizzazione della carica elettrica.

I monopoli magnetici sono stati cercati “per terra e per cielo”, con grande varietà di metodologie e tecniche sperimentali. Hanno suscitato speranze e delusioni. Un recentissimo articolo su Nature dal titolo “ Observation of Dirac monopoles in a synthetic magnetic field ” riferisce che è stato ricreata in laboratorio una configurazione di campo magnetico che “ simula ” un monopolo magnetico. La caccia al reale monopolo continua, in una ricerca alla frontiera estrema della rarità.


Precisione

L’umanità ha iniziato a “misurare” per esigenze pratiche. La figura 5 mostra una bilancia di circa 3500 anni fa in un affresco dell’antico Egitto ora al British Museum . La bilancia diventò anche un simbolo per pesare il comportamento dell’uomo nella giustizia civile e nel giudizio divino finale, iniziando dallo stesso antico Egitto come per esempio mostrato nel Papiro di Ani , anch’esso al British Museum.

Con il metodo sperimentale galileiano, la misura assunse un’importanza fondamentale per “ricavare” e “verificare” le leggi fisiche. Per dare un esempio dei giorni nostri, Interazioni Elettro-magnetiche “alla Feynman” riferisce che la teoria quantistica-relativistica dell’Interazione Elettromagnetica (QED) è stata verificata con una strabiliante accuratezza , dell’ordine delle parti per miliardo. La ricerca – altrimenti maniacale - di tali precisioni è motivata da un sogno: una “accertata deviazione” dalla previsione teorica indica nuova Fisica, oltre la frontiera del conosciuto. Tutto sta nel raggiungere livelli di precisione adeguati e nell’osservare deviazioni significativamente maggiori dell’errore di misura.

La misura del “momento magnetico” (v. Lo spin ) del muone è estremamente precisa. Essa è, infatti, riconducibile a una misura di frequenza nel suo moto di precessione, e misurare una frequenza equivale a misurare un periodo su un grandissimo numero di cicli . Il preciso valore del momento magnetico del muone fornisce anche un sensibile indicatore di nuova Fisica. Attualmente misura e previsione teorica differiscono per circa 3 volte il normale (detto “standard”) errore. Non può essere escluso che questo costituisca un segnale di novità. E’ attesa una misura più precisa.
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Fig. 6. Isaac Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687)
Manoscritto della prima pagina
The Royal Society, Londra, Immagine The Royal Society

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Fig. 7. Ricerca focalizzata a un obiettivo o spinta da curiosità
Immagine T. Hänsch - Lezione Nobel


Sintesi

Galileo Galilei introdusse il metodo sperimentale e sostenne l’importanza della Matematica. Egli scrisse: “nelle dispute di problemi naturali non si dovrebbe cominciare dalla autorità di luoghi delle Scritture, ma dalle sensate esperienze e dalle dimostrazioni necessarie” ( Lettera a Madama Cristina di Lorena Granduchessa di Toscana) e “La filosofia è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l’universo), ma non si può intendere se prima non s'impara a intender la lingua, e conoscer i caratteri, ne' quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica” ( Il Saggiatore , Cap. VI, 1623). La metodologia della “sintesi teorica” dei dati sperimentali si sviluppò sulla tradizione della “speculazione filosofica”, meravigliosamente fiorita nell’antica Grecia.

Con un’opera di sintesi, nel 1687 Isaac Newton comprese che la caduta dei gravi e il moto dei corpi celesti sono attribuibili a un’unica interazione e formulò la legge di “ Gravitazione Universale ”. La figura 6 mostra la prima pagina manoscritta dei Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, un monumento della Scienza.

Albert Einstein, basandosi sull’osservazione dell’indipendenza della velocità della luce dal sistema di riferimento e applicando la logica, si vide costretto ad assumere che spazio e tempo fossero concetti “relativi” all'osservatore e nel 1905 formulò la Teoria della Relatività Speciale .

Werner Heisenberg, sostenuto dal lavoro di altri pionieri della Meccanica Quantistica, dedusse da dati sperimentali un livello di “ indeterminazione ” intrinseco per i processi che avvengono a scale di spazio e tempo piccolissime rispetto a quelle direttamente percepibili dai nostri sensi: il “clinamen" sbocciato dalla speculazione logica di Epicuro e ricordato in Da Leucippo alla Fisica Atomica entrò nel dominio della Scienza.

Il quadro complessivo offerto dal Modello Standard delle particelle elementari lascia interrogativi su quali siano le sue radici profonde. Le deviazioni dalle previsioni teoriche osservate sperimentalmente (come quella sopra citata) potrebbero consolidarsi ed estendersi e portare oltre le attuali conoscenze. Una nuova visione potrebbe sorgere da ardite ipotesi fatte cavalcando le deviazioni osservate oppure evidenziando incongruenze teoriche nell'attuale Modello Standard o nelle sue estrapolazioni, oltre che da concezioni teoriche o scoperte di fenomeni senza precedenti.

Le eccezionali concezioni nate da sintesi sono potute avvenire grazie a una profonda apertura al cambiamento e sono state conquiste per tutto il genere umano. Molte di esse fanno ormai parte della vita quotidiana e hanno aperto nuovi orizzonti per la Società.


Pulcini

Oltre alle esplorazioni "goal driven”, ve ne sono anche di “curiosity driven”, ossia “motivate dalla curiosità”. Frequentemente esse non hanno esito, ma generalmente il costo è ridotto. Tuttavia, l’esito può essere dirompente, o “eretico”, rispetto alla Scienza convenzionale. Galileo era curiosity driven nell’instancabile osservazione di quanto era invisibile senza il nuovo strumento: il cannocchiale.

La vignetta in figura 7 è tratta dalla lezione tenuta a Stoccolma da Theodor Hänsch in occasione del conferimento del Premio Nobel 2005 “for his contribution to the development of laser-based precision spectroscopy”. Il futuro è anche dei pulcini. Future grandi scoperte verranno anche da “persone” mosse da curiosità e non solo da grandi “progetti” focalizzati verso un obiettivo. La curiosità può nascere anche in un solido e vivo ambiente di ricerca sperimentale, sostenuto adeguatamente come “dovrebbe” esserlo. Non sono sempre necessari i grandi mezzi di un’Isabella di Castiglia.

I pulcini della Scienza sono nelle Scuole e nelle Università. Esse sono le sorgenti delle avventure oltre le frontiere. La Scienza attende i “pulcini coraggiosi”.


Paolo Strolin e Francesco Tramontano

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 09/02/2017 15:12 da Paolo.

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