SensesLab

In questo seminario si intende ripercorrere l'itinerario di comprensione e descrizione scientifica della luce, a cavallo tra ottocento e novecento, con enfasi sul dualismo onda-particella e sul concetto di fotone. Si vuole anche mettere in risalto l’evoluzione delle sorgenti luminose e dei principi fisici sottostanti: dalle lampade a filamento (corpo nero) a quelle a scarica (eccitazione elettronica di atomi), fino ai LED ed ai laser a stato solido di ultima generazione (transizioni interbanda in materiali semiconduttori).

I buchi neri emergono come soluzioni delle equazioni della relatività generale di Einstein ed hanno molte caratteristiche generali, come una singolarità ed un orizzonte degli eventi. La singolarità è al centro del buco nero ed è il luogo in cui tutta la fisica diventa singolare, da cui il nome. L’orizzonte degli eventi è una superficie intorno al buco nero in corrispondenza della quale la velocità di fuga è uguale alla velocità della luce. Di conseguenza niente dall’interno dell’orizzonte degli eventi può scappare e deve necessariamente colpire la singolarità, anche la luce. Da qui il nome buco nero!
I buchi neri però non sono così neri, in realtà, come previsto per la prima volta da Stephen Hawking nel 1975, emettono una radiazione che prende appunto il nome di radiazione di Hawking e deriva dalla produzione di coppie particella anti-particella vicino all’orizzonte degli eventi. A questa radiazione vengono quindi associate una temperatura ed un’entropia. La radiazione ha un’energia che viene sottratta al buco nero, con il tempo questo porta all’evaporazione del buco nero, che lascia solo un bagno termico di particelle.

Il seminario inizierà con una descrizione qualitativa ed un inquadramento storico della diffrazione di raggi X, dalla scoperta ed interpretazione del fenomeno da parte di von Laue e Bragg, fino alla celebre risoluzione della struttura a doppia elica del DNA da parte di Franklin, Watson e Crick.
In seguito, dopo un richiamo ai prerequisiti matematici necessari, verrà illustrata la trattazione quantitativa proposta da Bragg e sarà confrontata brevemente con l'interpretazione di von Laue.
Si concluderà infine illustrando il ruolo e l'importanza della diffrazione di raggi X nella scienza odierna.

Come per la matematica in cui ad esempio un gran numero di teoremi viene dimostrato “per assurdo”, anche nello studio della fisica è possibile e necessario arrivare a un processo di astrazione per cui, partendo da un teorema e dalla sua dimostrazione, lo studente vi riconosca un metodo già incontrato in situazioni completamente differenti, di validità molto più generale del teorema stesso. Lo studente si forma in questo modo un set di strumenti, pochi ma completi, che gli permette di affrontare qualunque argomento o esercizio nuovo gli si presenti.
Questa capacità di astrazione ha una validità universale applicabile in qualunque ambito, particolarmente necessaria nel problem solving e nella risoluzione di esercizi, con una valenza enormemente superiore a qualunque nozione si riesca a far assorbire ai ragazzi. Capire i teoremi di per sé, come una semplice successione di schede, è quasi altrettanto inutile che impararli a memoria. C'è anche un effetto secondario non trascurabile: quando lo studente impara a riconoscere un metodo o uno strumento già incontrati, il processo di apprendimento della nuova nozione è molto più rapido perché procede per similitudine con nozioni già acquisite invece che costituire qualcosa di completamente nuovo.
Questo metodo di studio funziona con identica efficacia su differenti scale, non solo a livello di singola legge o di esercizio ma anche di interi argomenti, passando ad esempio dalla dinamica del punto materiale a quella del corpo rigido o all'elettromagnetismo. Il procedimento di astrazione verrà esemplificato utilizzando esempi di fisica classica.

Partendo dal concetto di misura in fisica introdurremmo i fondamenti della teoria dell'interazione fra radiazione e materia che sono alla base del funzionamento di tutti i rivelatori utilizzati in fisica delle particelle.
Seguirà una breve descrizione delle principali classi di rivelatori utilizzati ai nostri giorni nei moderni esperimenti di fisica delle alte energie, facendo riferimento ad esempi concreti che saranno utilizzati come stimolo alla successiva discussione.
Durante il seminario sarà possibile visionare dei prototipi e delle parti di rivelatori sviluppati dai ricercatori del dipartimento di Fisica e Geologia e della sezione INFN di Perugia a seguito delle attività di ricerca in cui sono coinvolti.

Tra i tanti fenomeno bizzarri che si possono osservare nell’universo, uno dei più famosi è quello delle sorgenti superluminali. Ci sono diversi oggetti, quasar, sorgenti superluminali galattiche e gamma-ray burst, che sembrano essere in grado di accelerare un’enorme quantità di massa a velocità superiori a quella della luce (da qui il nome superluminale).
In effetti non stiamo assistendo a nessuna violazione della teoria della relatività di Einstein, ma solo a una serie di effetti relativistici dovuti al fatto che la sorgente che emette radiazione si muove a velocità prossima a quella della luce rispetto ad un osservatore che si trova sulla Terra.
La possibilità di poter osservare questo fenomeno nei quasar fu predetto da Martin Rees nel 1966 e realmente osservato nel 1971. Nel corso del seminario oltre a ripercorrere le tappe fondamentali della scoperta e presentare come si pensi che i quasar possano accelerare materiale si prenderà spunto da questo per presentare e spiegare altri altrettanto importati effetti che si osservano quando sorgenti estese si muovono a velocità prossime a quella della luce.

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