fisica spicciola...molto spicciola!

[vecchione]

11-segue
3)- Interazione nucleare forte: in merito al nucleo atomico si è detto che è composto da protoni di segno positivo e neutroni di segno neutro. Diciamo per inciso ed in breve che il numero di protoni determina il tipo di sostanza e non ha rilevanza che il numero dei neutroni NON sia sempre uguale al numero dei protoni; sono questi ultimi che pilotano il tutto: l’idrogeno ne ha uno, lo stagno 50, l’uranio ne ha 92, etc…...ma anche qui dovrebbe sorgere una domanda: cosa è che riesce a tenere insieme i protoni, che per questione di segno (sono tutti positivi ed i neutroni sono, per l’appunto, neutri) dovrebbero respingersi violentemente?
Ed ecco nuovamente i fisici teorici che, a fronte della realtà delle cose, hanno dovuto elaborare una teoria che la giustificasse, una teoria definita nel 35 e chiamata “interazione nucleare forte”. Questa è generata da protoni e neutroni quando si trovano vicinissimi tra loro e produce una forza di attrazione elevatissima, contro la quale la forza elettromagnetica (che dovrebbe separare i protoni) non può competere: ciò che la forza nucleare unisce, nulla può dividere.
Bisogna però arrivare poi agli anni 60 per averne le accurate spiegazioni, con il coinvolgimento di quark e gluoni.
E’ opportuno però ricordare che l’interazione nucleare, pur essendo la forza più forte in assoluto, si attenua molto rapidamente con la distanza; è generata dal nucleo e si azzera a distanze più o meno pari al raggio del suddetto, ovvero a distanze infinitesimali e, sia detto per inciso, è quindi il limitatissimo raggio di azione di tale forza a determinare le dimensioni dei nuclei.

[ziomauri]

Vecchione ... mi stai facendo fare un meraviglioso viaggio nell'universo infinitamente piccolo !!!

[vecchione]

Vecchione ... mi stai facendo fare un meraviglioso viaggio nell'universo infinitamente piccolo !!!

Zione.....sei consolazione e conforto!

[vecchione]

11-segue
4)- Interazione nucleare debole: riguarda pure lei l’atomo, con riferimento però ai nuclei atomici instabili;
è stata definita “interazione nucleare debole” perché opera nei nuclei che spontaneamente emettono particelle per mantenere il rapporto protoni-neutroni in condizioni di stabilità; l’interazione debole riguarda quindi i materiali radioattivi.
- In merito alle forze, le perplessità dovrebbero nascere dal fatto che ordinandole per intensità, si evidenzia al primo posto l’interazione forte, al secondo quella elettromagnetica, al terzo l’interazione debole e ancora dopo, ma molto molto dopo, viene quella gravitazionale, che è quadrilioni di volte più debole della prima.
Ora, se non ci sono dubbi sulle forze nucleari, perché è chiaro come e dove operano, ovvero solo a distanze infinitesime e solo nei nuclei, come si spiega che la gravitazione, così debole, riesce a tenere avvinta la luna alla terra, i pianeti intorno al sole...o che più semplicemente riesce a farci cadere, tirandoci verso il suolo? E la forza elettromagnetica, che è molto maggiore di quella gravitazionale, che fine ha fatto?
Il fatto è che la forza elettromagnetica pur diminuendo col quadrato della distanza e quindi in modo molto “lento”, potrebbe agire anche a grandi distanze...ma è soggetta ad una autocompensazione, perché per sua natura le cariche positive e negative dei singoli conglomerati si pongono in equilibrio, in modo che fuori del singolo oggetto preso in esame non si avvisa campo elettromagnetico; in verità non è proprio così, ma gli effetti residui sono molto limitati; per esempio l’insieme di tutti i materiali che compongono il nostro pianeta determina un campo magnetico finale che riesce si e no a spostare l’ago di una bussola ed a deviare appena il vento solare.
La gravità invece NON HA ANTAGONISTI e si accumula senza fine; ogni particella dotata di massa presente nel nostro pianeta, ogni protone, elettrone, neutrone origina un piccolissimo campo gravitazionale e la somma di tutti questi determina il campo gravitazionale terrestre, che acquisisce così una forza tremenda; lo stesso dicasi, nel grandissimo gioco della gravitazione universale, per i pianeti, i sistemi planetari e le galassie intere.

[vecchione]

12)- Note sulle particelle subatomiche..
Ritorniamo un momento all’antica Grecia (2.600 anni addietro) dove, come ho già scritto, si giunse alla conclusione che gli oggetti materiali erano un insieme di piccolissime particelle, indivisibili, che furono chiamate “atomi”. I limiti ed i pregi dei filosofi greci erano però che non avevano tecnologia e strumenti, si basavano quasi esclusivamente solo sul pensiero e sulle riflessioni (…..il che comunque non è poco!).
Successivamente, col tramontare della civiltà greca si ebbe un lungo periodo di inerzia e la scienza (aiutata dalla possibilità di stampare e divulgare le ricerche e le scoperte effettuate), subì una rinascita e una spiccata accelerazione solo ad iniziare dal 15° secolo, con le misurazioni, le verifiche, la sperimentazione: vedi Copernico e la sua centralità del sole, Brahe in astronomia, Keplero con le verifiche delle orbite e ovviamente Galileo, nonché tanti altri.
Ma non era tutto facile; in effetti si opponevano a questa rinascita della ricerca ed alle nuove idee formulate (compreso il concetto di atomo, “riemerso” in Francia solo all’inizio del 16°sec.), sia la struttura religiosa sia molta parte delle strutture politico-amministrative di quel tempi: ad esempio nel 1630 circa, i Gesuiti ebbero l’ordine dai loro vertici di rifiutare ogni concetto relativo al discorso atomo e tanto meno di divulgarlo...e poi è cosa nota il processo religioso subito da Galileo che, anche se riguardava altre faccende, è ben indicativo del clima esistente allora.
Comunque l’idea di un atomo indivisibile resistette sino alla fine del 18° secolo ed iniziò ad essere messa in discussione solo negli ultimi decenni di questo, specialmente grazie a Boltzmann, che però non fù creduto e dopo due decadi di contestazioni da parte dei colleghi si suicidò nel 1906 per depressione ….e dire che pochi anni dopo si dimostrò, con la scoperta del nucleo dell’atomo, che le sue affermazioni erano vere!
Forse la fisica delle particelle inizia proprio da questa verifica, che fù resa possibile dalla scoperta del decadimento radioattivo (v. punto 2 e 11-4) avvenuta negli ultimissimi anni del 1800, scoperta che portò Rutherford e colleghi a “sparare” i proiettili forniti dal suddetto decadimento radioattivo contro atomi di altra materia (si usò in particolare anche l’oro), riscontrando che moltissimi di questi “proiettili” attraversavano il bersaglio, mentre altri erano deviati verso l’esterno (se ne poteva riscontrare la traccia nei rivelatori posti intorno alla zona d’urto).
Classico l’esempio della pesca: se gli sparo contro dei pallini da caccia, molti di questi attraversano la polpa , ma alcuni colpendo il nocciolo non riusciranno ad attraversarlo e saranno deviati dalla loro precedente traiettoria.
Questo tipo di ricerche è motivato dal fatto che la scienza dal 15°-16° secolo ha iniziato a seguire una precisa progressione, peraltro ancora in uso adesso:
1-analisi e studio degli avvenimenti,
2-utilizzo di regole e formule matematiche per illustrarli,
3-elaborazione delle teorie e verifica delle stesse.
4-Le verifiche però possono avvenire solo col grande aiuto della tecnologia, senza la quale non sarebbe possibile accertamento alcuno. Come già detto in premessa,
servono fisici teorici, fisici sperimentali ed ingegneri; senza la collaborazione di questi tre elementi di fatto non si combina nulla…..

[vecchione]

13)- La nuova fisica
Nello sviluppo della scienza si può riscontrare come negli ultimi due-tre secoli gli scienziati avessero operato per settori, scoprendo e studiando fatti considerati fini a se stessi: orbite planetarie, magnetismo, elettricità, gravità, biologia, chimica: tutte cose separate e diverse.
Poi Newton si è accorto di come il moto celeste era governato dalle stesse regole esistenti sulla terra (forza gravitazionale); Maxwell sintetizzo gli studi sui campi magnetici ed elettrici (con spiccati accenni anche sulla luce) unificandoli nelle sue famose equazioni; anche in chimica si iniziò a sostenere che le varie reazioni tra le sostanze potevano essere causate dall’esistenza di svariati elementi, ognuno per l’appunto composto da atomi diversi, ma sempre atomi; anche la biologia non si salvò, stabilendo alla fine che l’uomo e gli animali sono fatti allo stesso modo;
Questo orientamento era stato promosso ed avvalorato dalle scoperte e dalle ricerche effettuate dal 1880 circa in poi, anni in cui si dovette affiancare (1) alla fisica classica la fisica moderna, avvalorata dalle verifiche atomiche di Rutherford, dalle ricerche di Planck sui quanti di energia, da Einstein con il suo effetto fotoelettrico e la relatività ristretta, da Bohr con la sua nuova formulazione dell’atomo, da Dirac e la sua combinazione della teoria quantistica con la relatività ristretta e da quelle di tanti altri, il che portò infine a sviluppare una nuova teoria, definita poi come “teoria standard”, che si consolidò definitivamente intorno agli anni 70 del 1900, convalidata dalle ricerche sull’atomo dei decenni precedenti dalle quali era emerso che il presupposto di un atomo composto da protoni nel nucleo con elettroni all’esterno non bastava….doveva esserci in gioco qualche altro elemento e infatti nel 1931 venne infine scoperto il neutrone.
Nota 1): Ho scritto “affiancata” perché la fisica attuale non ha sostituito la fisica classica, le cui leggi restano valide, ma valide solo nel mondo ordinario, quello dove viviamo.
Nel campo del sub-atomico, quello delle particelle, regnano altre regole ed altre leggi e forse si potrebbe dire che è proprio un altro mondo, tanto che le sue regole cessano di avere effetto all’esterno dell’atomo, da dove ricominciano a funzionare le regole della fisica classica …….Ma non stupiamoci troppo di questo, ci sono “altri mondi” che si affiancano a quello ordinario e con i quali conviviamo senza accorgercene, vedi per esempio la geometria: tutti sappiamo che in quella ordinaria Euclidea due parallele, anche proseguite all’infinito, non si incontreranno mai...ma se noi partiamo con due parallele dall’equatore, pure con gli angoli rigorosamente a 90° con il suddetto e risaliamo verso il polo nord o sud,…..in questi punti le parallele si incontrano! E allora? Allora entra in gioco la geometria delle superfici curve, che è un altro mondo ed è valida solo in questo; altro esempio: nella matematica ordinaria la frazione 0/0 non ha risultati, mentre ha valore nel calcolo infinitesimale.

[vecchione]

14)- Teoria standard.
Quando gli scienziati ed i ricercatori hanno iniziato a comprendere che tutto quello che ci circonda, ogni pianeta, stella o galassia esaminata (1) nell’intero universo osservabile (2) era “fatto” dagli stessi elementi presenti sulla terra e che tutto derivava dalle poche particelle infinitesimali e forse veramente indivisibili che progressivamente si stavano scoprendo, si sono posti questa domanda: “E’ possibile trovare un sistema, un insieme di
regole, un insieme di formule che colleghi, unificandolo (3), l’infinitamente piccolo all’infinitamente grande ? “ La risposta è stata la teoria standard !
Questa teoria, dalla sua impostazione negli anni 50, è stata avvalorata progressivamente dagli opportuni esperimenti, culminati infine con la scoperta del bosone di Higgs , la cui esistenza (che era stata predetta proprio negli anni 60 da questa teoria) è stata riscontrata nel 2012 grazie al collisore LHC del CERN.
Ora la teoria standard è divenuta una teoria quantistico-relativistica dei campi completa; è adesso la teoria più matematica e più generale che sia mai esistita: ad eccezione della gravità, comprende le regole della teoria quantistica, della relatività ristretta e dell’intero elettromagnetismo (equazioni di Maxwell); descrive tutti gli esperimenti sulle particelle e sulle loro interazioni (al CERN per anni si sono raccolti vari milioni di eventi sperimentali per verificarne le previsioni, senza trovare nessun disaccordo rilevante); insomma, la teoria standard attuale è una conquista definitiva, anche se presumibilmente sarà possibile estenderla, magari con la “Teoria del tutto” che potrebbe comprendere la teoria standard, la teoria della gravità, che cosa sono i quark, lo spazio, il tempo , forse anche la materia oscura e l’energia oscura….
Nota 1) Ricordo che il principio in base al quale si può risalire alla composizione delle
stelle è l’analisi della loro luce, infatti ogni tipo di materia, se eccitata o autoeccitata, emette una sua specifica lunghezza d'onda. Nei laboratori si è riscontrato che, se l’emissione rientra nella gamma di quelle percepibili dal nostro occhio ed il materiale è "puro", si vedrà uno specifico colore; da questo si può risalire alla materia che lo ha generato. Se invece il materiale eccitato non è "puro" ma composto da svariati tipi di materia, ovviamente avremo emissioni di lunghezze d'onda diverse, (una per ogni tipo di materiale presente nel campione); analizzando gli spettri di emissione/assorbimento di questo "fascio" di luce si può risalire ai diversi composti presenti nel campione.
Nota 2)- le informazioni acquisite discendono solo da quello che vediamo e possiamo analizzare, ma calcoli gravitazionali, stime di densità, massa totale ed altro evidenziano o meglio impongono la presenza di notevoli quantità di “materia oscura” ed “energia oscura”, (chiamate oscure perché nulla ne sappiamo). Queste materie esistono in quantità tali che di fatto ciò che ci è noto è circa il 5% del tutto, perciò pare ovvio che ci siano un sacco di cose ancora a noi ignote che ancora debbano entrare in gioco..
Nota 3)- Unificazione: processo con il quale si dimostra che effetti apparentemente diversi sono dovuti e regolati dalle stesse leggi e che strutture complesse sono formate da insiemi di strutture più semplici.
Per esempio e detto molto in breve: una prima unificazione si ebbe con Newton che dimostrò come i moti celesti e quelli terrestri ubbidiscono alle stesse leggi. Ugualmente calore e suono sono sempre stati considerati ben diversi, sino a quando si comprese che potevano essere unificati nel moto molecolare. E ancora, con esperimenti precedenti si erano scoperti elettricità e magnetismo, considerati cose separate. Maxwell studiò quei due aspetti e trovò un insieme di equazioni che permettevano di calcolare i diversi effetti elettrici e magnetici a partire da una sola cosa, il “campo elettromagnetico”.

[vecchione]

15- Una domanda sulla ricerca.
La maggior parte delle persone potrebbe chiedersi...ma perché questa ricerca nell’infinitamente piccolo? Perchè non fermarsi al mondo in cui viviamo? Che importanza può avere sapere se l’atomo è puntiforme, se il nucleo è divisibile e quali particelle lo compongono? Che vantaggi avremo da queste ricerche?
A questa domanda non c’è apparentemente risposta precisa, ma se pensiamo alle ricerche dei secoli e degli anni addietro sul magnetismo, sulla gravità, sull’elettricità, sulla chimica, sull’atomo etc. etc. (ovvero a ricerche che anche a quei tempi esulavano dalla vita ordinaria) e le confrontiamo con la nostra vita attuale, la risposta non solo è possibile, ma è sotto gli occhi di tutti: telefoni, elettricità, riscaldamento, auto, tv, aerei, pannelli solari, motori elettrici, attrezzature mediche ed un’infinità di altre cose che usiamo abitualmente, che ci sono diventate indispensabili e che sono tutte derivate dalle ricerche fatte allora !

Nota:
per rispettare i commenti dei lettori, dovrò purtroppo allungare parecchio questo post, abbiate pazienza...

16)- Prima di proseguire, credo sia utile qualche precisazione sull’infinitamene piccolo, il campo di lavoro degli acceleratori. Per chiarire cosa si intende bisogna pensare che le dimensioni dell’elettrone sono 10 alla meno 29 e quelle dei quark 10 alla meno 34...ora, io proprio neppure riesco a immaginare quanto siano piccole queste particelle, perché sviluppando matematicamente questa notazione esponenziale negativa si ottiene, ad esempio per i quark, una frazione con 1 al numeratore e 10 al denominatore, entrambi elevati alla 34, dove il numeratore 1 resterà ovviamente 1, ma il denominatore 10 verrà elevato 34 volte, ovvero avremo il numero 1 da dividere per un numero composto da 10 seguito da 34 zeri (oppure 1 seguito da 35 zeri, fate voi)…..come detto sopra, il risultato di questa divisione non riesco neppure a pensarlo!
In ogni caso con la scoperta del neutrone il nucleo cessò di essere un qualcosa di puntiforme, risultando infatti composto da protoni e neutroni. In quel periodo si poteva quasi credere di avere trovato i componenti fondamentali della materia: protoni, neutroni ed elettroni, che insieme costituiscono l’atomo e tanti atomi insieme costituiscono le molecole e tante molecole insieme costituiscono la materia, ovvero le cose che possiamo vedere e toccare ...insomma, sembrava di essere arrivati davvero alla fine della ricerca…..ma i fisici teorici e svariati esperimenti sollevarono parecchi dubbi in merito e, dopo la seconda guerra mondiale, con l’uso dello SLAC, un acceleratore lineare costruito a Stanford nel 1962 e lungo 3 km, questi dubbi furono confermati, anche se nei primi esperimenti gli elettroni accelerati in quell’impianto non avevano energia sufficiente a frantumare il nucleo come sarebbe stato necessario...ma i fisici insistettero e
successivamente un potenziamento dello SLAC consentì, usando elettroni ad alta energia, di scoprire nel 1968 i quark anche se, per arrivare ai gluoni (collante dei quark), bisogna arrivare al 1980, con l’uso del collisore DESY di Amburgo; pertanto e con riferimento al nucleo, è opportuno dire che : quark + gluoni formano i protoni; protoni + neutroni formano il nucleo e nucleo + elettroni formano gli atomi.

17)- Finanziamenti alla ricerca.
Per quanto detto precedentemente credo/spero sia chiaro perché le ricerche nel campo sub-atomico abbiano richiesto, richiedono e richiederanno macchinari sempre più complessi e costosi, per non parlare del sempre maggior numero di scienziati e ricercatori coinvolti nei lavori, che ovviamente sono un notevole costo aggiuntivo :
In Europa e negli USA le cose funzionano in modo diverso:
Negli USA per i finanziamenti ai grandi centri di ricerca ed alle università sono state attivate due strutture, una denominata D.E (Dipartimento dell'Energia) e l’altra NSF (Fondazione Nazionale per la Scienza). Ogni anno le università, i laboratori ed anche eventualmente i privati sottopongono ai vertici di queste due strutture le loro proposte di ricerche, le quali vengono valutate, verificate, quantificate economicamente, programmate nella realizzazione e infine se approvate vengono finanziate, con potere decisionale dei dirigenti praticamente assoluto.,
In Europa invece quasi tutto si è concentrato nel CERN, (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire), una struttura collaborativa nata nel dopoguerra, tra iniziali 13
paesi (poi diventati 23 ed ora di fatto 29 ), dove ogni paese membro contribuisce annualmente in proporzione al suo prodotto interno lordo. La struttura ha quindi un finanziamento annuale “sicuro”, anche se rivedibile di anno in anno; inoltre in Europa ogni paese finanzia i propri “piccoli” acceleratori e pare che il totale investito da noi in questo tipo di ricerca sia stato per molto tempo quasi il doppio di quello USA. Per inciso, ricordo che anche al progetto del reattore a fusione ITER, in Francia, partecipano 34 paesi, tra UE e terzi; sono due importantissime strutture che vivono grazie alla collaborazione ….finchè durerà)
Insomma, negli USA prima si fanno le richieste e poi magari arriva il denaro, mentre in Europa prima c’è il denaro che poi può essere indirizzato ove si ritiene necessario…

18)- Altre informazioni sul CERN .
Ho letto su qualche libro (non ho esperienze dirette), che nei discorsi che fanno sovente le persone che hanno lavorato o vissuto all’estero sussiste, alla fine, un’affermazione di questo tipo:
“Nei miei viaggi all’estero ho riscontrato che la stima che hanno gli altri di noi è notevolmente maggiore di quella che abbiamo noi nei nostri confronti”.
Forse noi ci sottovalutiamo….oppure guardiamo solo il peggio.
Bene, il CERN fu fondato da un gruppo di scienziati europei, tra cui l'italiano E. Amaldi ed oggi rappresenta il laboratorio più importante al mondo nella ricerca delle particelle elementari. Il nostro Rubbia (premio Nobel) ne divenne direttore generale nel 1989 e mi pare che proprio con lui si iniziò a progettare l'enorme LHG, ma già prima di questi eventi, ovvero intorno agli anni 70, ferveva la ricerca su particelle di grande massa, ricerca che però si era scontrata con una realtà: le particelle cercate avevano presumibilmente 100 volte la massa del protone e non c’erano macchine in grado di raggiungere tali potenze (v. anche il sottolineato al punto 10).
Per superare tale limite, Rubbia elaborò una modifica al SuperProtoSincrotone (SPS), allora il più potente macchinario al CERN, proponendo di usare un fascio di antiprotoni, cosa mai pensata prima di allora. Per rendere operativo il tutto, Rubbia ed un altro fisico, V.d.Meer, dovettero inventarsi una specie di contenitore magnetico criogenico circolare per accumulare e conservare le particelle via via prodotte e che consentì nel 1981, per la prima volta, l’uso del collisionatore SPS alimentato con antiprotoni. Ma non finisce qui: contemporaneamente Rubbia lavorava, con altri ricercatori italiani ad un particolare e avanzato rilevatore di bosoni, poi Battiston, altro italiano, collaborò allo sviluppo di un secondo rivelatore avanzato e negli anni 90 al CERN si iniziò a valutare la ricerca dell’antimateria nei raggi cosmici, cosa che coinvolse sia il MIT sia il CERN; per farla breve tra i vari progetti di rilevatori emerse alla fine quello del team guidato da Battiston presso il nostro INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) sez. di Perugia, derivato dalle esperienze fatte al CERN .. e infine, saltando tutto l’intermedio, sia detto che la NASA richiese di montare sulla stazione spaziale internazionale questo tipo di rivelatore che, inviato sulla stazione nel 2011 e con l’apparecchiatura montata in opera da due astronauti italiani, è tutt’ora intento, con successo, alla raccolta dati.
Comunque la ricerca e la tecnologia in campo subatomico stanno andando avanti e ne approfitto per ripetere che i ricercatori italiani non sono secondi a nessuno, tant’è che nel 2013 (mi pare) è stato progettato presso l’INFN, sez. di Padova, un acceleratore LINAC a radiofrequenza utilizzabile a scopi medici che sembra il più potente al mondo in tale settore.
Difficile comunque stare dietro a tutte le soluzioni, dal momento che per fortuna la ricerca scientifica prosegue diffusa in tutti i paesi del mondo, con team che ora come ora, grazie al Web ed a una sua particolare messaggistica (entrambe le cose elaborate da un ricercatore al CERN proprio per lo scambio dati tra gli scienziati di tutto il mondo e poi diventata comune, tanto da essere utilizzata in tutte le piattaforme social), coinvolgono in contemporanea migliaia di ricercatori sparsi per ogni dove, con programmi di lavoro per 8-10 anni, mentre solo negli anni 70 i team più strutturati prevedevano 30-40 ricercatori al massimo e magari localizzati nelle vicinanze degli impianti.

[ziomauri]

“Nei miei viaggi all’estero ho riscontrato che la stima che hanno gli altri di noi è notevolmente maggiore di quella che abbiamo noi nei nostri confronti”.

Pecchiamo di autostima ? o appariamo migliori di come realmente siamo?

[vecchione]

“Nei miei viaggi all’estero ho riscontrato che la stima che hanno gli altri di noi è notevolmente maggiore di quella che abbiamo noi nei nostri confronti”.

Pecchiamo di autostima ? o appariamo migliori di come realmente siamo?

Mah!, come in tutte le nazioni, mi sà che siamo frazionati in una pluralità di comportamenti. C'è chi segue esclusivamente le faccende più becere e superficiali, c'è chi, pur seguendo quelle cose, comunque cerca di tenersi informato anche su faccende più importanti e succose e poi c'è una parte costituita da studiosi, tecnici, professionisti etc. che non è seconda a nessuno al mondo, anzi!