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COLLANA DI DIDATTICA, DIVULGAZIONE E STORIA DELLA · PDF file Verso la quantizzazione della gravità: i buchi neri 9.1. Le singolarità delle equazioni di Einstein, 183– 9.2. Le

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  • LO SCRIGNO DI PROMETEO

    COLLANA DI DIDATTICA, DIVULGAZIONE E STORIA DELLA FISICA

  • Direttore

    Ettore G Università degli Studi di Milano Piero Caldirola International Centre for the Promotion of Science

    Comitato scientifico

    Sigfrido B Università degli Studi di Pavia

    Giovanni F Università degli Studi di Ferrara

    Marco Alessandro Luigi G Università degli Studi di Milano

  • LO SCRIGNO DI PROMETEO

    COLLANA DI DIDATTICA, DIVULGAZIONE E STORIA DELLA FISICA

    La conoscenza completa delle leggi fisiche è la meta più alta a cui possa aspirare un fisico, sia che essa abbia uno scopo puramente utilitario. . . sia che egli vi cerchi la soddisfazione di un profondo bisogno di sapere e la solida base per la sua intuizione della natura.

    Max P

    La Fisica ha come scopo capire il rapporto tra l’uomo e la natura, non solo da un punto di vista scientifico, ma anche filosofico, e ha cambiato in modo irreversibile la nostra vita tramite le sue ricadute tecnologiche. La spiegazione e la divulgazione dei concetti che stanno alla sua base, dati quasi per scontati, ma lungi dall’essere noti o compresi da molti, e l’evoluzione delle tecniche sperimentali, che hanno permesso di scoprire le leggi che regolano i fenomeni naturali e delle teorie via via elaborate, sono perciò argomenti di studio e riflessione di rilevanza primaria. Questa collana si rivolge a chi abbia desiderio di approfondire o discu- tere questi temi ed è aperta a chi voglia collaborarvi con contributi originali.

  • Marino Dobrowolny

    Problemi aperti della Fisica

  • Copyright © MMXIV ARACNE editrice S.r.l.

    www.aracneeditrice.it [email protected]

    via Raffaele Garofalo, /A–B  Roma () 

     ----

    I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale,

    con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi.

    Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell’Editore.

    I edizione: luglio 

    www.aracneeditrice.it [email protected]

  • Indice

     Introduzione

     Capitolo I Fondamenti della Meccanica quantistica

    .. L’esperimento delle due fenditure,  – .. L’equazione di Schrö- dinger e il problema della misurazione,  – .. Indagini sul problema fondazionale della meccanica quantistica,  – ... La teoria dell’onda pilota,  – ... La decoerenza ambientale,  – ... L’equazione di Schrö- dinger modificata di Ghirardi Rimini e Weber (GRW),  – ... Un possibile ruolo della gravità nella riduzione dello stato quantico,  – ... Meccanica quantistica relazionale, .

     Appendice  I postulati della meccanica quantistica

     Capitolo II L’energia del vuoto quantistico

    .. La nozione di campo quantistico,  – .. Modi normali dei campi e vettori di stato,  – .. Energia di un campo nello stato di vuoto,  – .. Calcoli della energia del vuoto,  – ... Stime della densità di energia per il vuoto virtuale,  – ... Stima della densità di energia del vuoto dei campi quantistici, .

     Appendice  Il principio di indeterminazione di Heisenberg

     Appendice  Il principio di esclusione di Pauli

     Appendice  Quantizzazione dell’oscillatore armonico

  •  Indice

     Appendice  Quantizzazione del campo di Klein–Gordon

     Appendice  La lunghezza di Planck

     Capitolo III Il Modello Standard e il quadro attuale delle particelle elementari

    .. Le forze fondamentali e il Modello Standard,  – .. L’Interazione elettromagnetica,  – .. L’interazione forte,  – .. La forza debole,  – .. Simmetrie di gauge,  – .. Rottura spontanea della simmetria,  – .. Il campo di Higgs,  – .. L’assoluta necessità di un campo di Higgs,  – .. Il campo di Higgs nella storia dell’Universo,  – .. Un quadro riassuntivo delle particelle elementari, .

     Appendice  La costante di struttura fine

     Appendice  Invarianza di gauge della elettrodinamica quantistica

     Capitolo IV Oltre il Modello Standard

    .. Problemi aperti del Modello Standard,  – .. I neutrini,  – .. Il problema della gerarchia,  – .. Il problema della asimmetria cosmica di materia e antimateria,  – .. La materia oscura,  – .. Teorie oltre il Modello Standard,  – ... Teorie di Grande Unifi- cazione (GUT’s),  – ... Teorie supersimmetriche,  – .. Alla caccia della materia oscura, .

     Capitolo V L’espansione dell’Universo e le cosmologie della relatività generale

    .. La scoperta di Hubble,  – .. L’espansione dell’Universo nella meccanica newtoniana,  – .. Le cosmologie della relatività genera- le,  – .. La costante cosmologica,  – .. Soluzione cosmologica con materia e costante cosmologica, .

     Appendice  Energia dello stato di vuoto dei campi quantistici

  • Indice 

     Capitolo VI Cosmologia osservativa

    .. Breve storia dell’Universo,  – .. L’Universo prima della rottura della simmetria elettrodebole,  – .. Osservazioni della radiazione cosmica di fondo,  – .. Misure dello spettro delle fluttuazioni di temperatura,  – .. La scoperta della accelerazione dell’ Universo attuale, .

     Capitolo VII L’ipotesi inflazionaria

    .. Problemi con la teoria standard del Big Bang e l’ipotesi inflaziona- ria,  – .. Meccanismo fisico della inflazione,  – .. Il modello ΛCDM, .

     Capitolo VIII Problemi aperti della Cosmologia

    .. La costante cosmologica,  – ... Il problema della energia del vuoto quantistico,  – ... Il problema della costante cosmologica,  – .. L’evoluzione dell’entropia nell’Universo,  – .. Problemi connessi con l’inflazione, .

     Capitolo IX Verso la quantizzazione della gravità: i buchi neri

    .. Le singolarità delle equazioni di Einstein,  – .. Le stelle oscure di Mitchell e Laplace,  – .. La soluzione di Schwarzschild alle equazioni di Einstein,  – .. Evidenze osservative di buchi neri,  – .. Buchi neri e natura dello spazio tempo,  – .. Buchi neri e termodinamica ,  – .. Radiazione di Hawking, .

     Appendice  Cenni sulla evoluzione stellare

     Capitolo X Gravità quantistica

    .. Incompatibilità della meccanica quantistica con la relatività gene- rale,  – .. Teorie delle stringhe,  – .. Gravità quantistica a loop,  – .. La quantizzazione della geometria,  – .. Altri risul- tati della gravità quantistica a loop ,  – .. Verifiche sperimentali, 

  •  Indice

    – .. Il problema del tempo,  – .. Verso una teoria di tutte le interazioni, .

     Bibliografia

  • Introduzione

    Il secolo scorso è stato caratterizzato da due grandi rivoluzioni scientifiche che hanno ridefinito i fondamenti della fisica. Si trat- ta, naturalmente, della meccanica quantistica e della relatività di Einstein.

    La meccanica quantistica si può dire iniziata nel  con l’ipo- tesi che l’energia della radiazione si presenti in pacchetti discreti e l’introduzione della costante di Planck.

    Nel  Einstein introduceva la relatività speciale, rivoluzionando lo spazio e il tempo newtoniani, e, circa venti anni dopo, la relatività generale che è una teoria anche essa rivoluzionaria, della gravità, che sostituiva la gravitazione di Newton.

    Nel seguito, partendo da Dirac, la meccanica quantistica viene combinata con la relatività speciale. Si scoprono nuove particelle come il neutrone, il neutrino e centinaia di altre particelle elementari. Si capisce che la totalità dei fenomeni naturali è imputabile a  forze: l’elettromagnetismo, la gravità, la forza nucleare forte (che tiene insieme i nuclei atomici) e la forza nucleare debole (responsabile dei fenomeni radioattivi).

    Neli anni ‘, si era arrivati a una complessa teoria, denominata il Modello Standard delle particelle elementari, capace di spiegare tutti gli esperimenti sulle particelle effettuati con gli acceleratori. L’ultima scoperta sperimentale che convalida il Modello Standard, è in effetti, quella del bosone di Higgs, rivelato nel  nel Large Hadron Collider di Ginevra.

    In maniera simile, la relatività generale di Einstein h

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