La fisica
Cultura
LA FISICA
La fisica e' la scienza della natura nel senso piu' ampio. Lo scopo della fisica e' lo studio dei fenomeni naturali, ossia di tutti gli eventi che possano essere descritti ovvero quantificati attraverso grandezze fisiche opportune, al fine di stabilire principi e leggi che regolano le interazioni tra le grandezze stesse e rendano conto delle loro reciproche variazioni. Quest'obiettivo e' raggiunto attraverso l'applicazione rigorosa del metodo scientifico e spesso la fornitura finale di uno schema semplificato, o modello, del fenomeno descritto. L'insieme di principi e leggi fisiche relative ad una certa classe di fenomeni osservati definiscono una teoria fisica deduttiva, coerente e relativamente autoconsistente, costruita tipicamente a partire dall'induzione sperimentale.Fisica moderna
Se la fisica classica aveva di per se' esaurito brillantemente quasi del tutto lo studio dei fenomeni fisici macroscopici, con il successivo passo, ovvero con la fisica moderna, lo studio fisico si incentra su tutti quei fenomeni che avvengono a scala atomica e subatomica o con velocita' prossime a quelle della luce; le teorie principali che costituiscono questa nuova fisica sono la meccanica quantistica e la relativita' generale. Piu' precisamente fanno parte di questa categoria tutte le teorie che sono state prodotte a partire dal XX secolo per cercare di spiegare alcuni fenomeni che le teorie classiche non riuscivano a dimostrare. Queste nuove teorie rappresentarono una "spaccatura" netta nel disegno teorico tracciato dalla fisica classica precedente in quanto ne hanno completamente rivisto idee e concetti di fondo in cui l'uomo aveva sempre creduto fin dai tempi piu' antichi: lo spazio e il tempo non sono piu' considerati assoluti, ma sono relativi al sistema di riferimento che si sceglie, e non sono separati, ma formano un'unica entita' chiamata spazio-tempo. La velocita' della luce e' la massima velocita' possibile nell'universo. Il concetto di misura e osservabile fisico vengono completamente rivisti in quanto con il principio di indeterminazione di Heisenberg si stabilisce che esistono coppie di grandezze fisiche non misurabili simultaneamente con precisione arbitraria. La stessa materia fisica dell'universo mostra inoltre una doppia natura, corpuscolare e ondulatoria, attraverso il noto dualismo onda-particella espresso nel principio di complementarita'.
Se la fisica classica aveva di per se' esaurito brillantemente quasi del tutto lo studio dei fenomeni fisici macroscopici, con il successivo passo, ovvero con la fisica moderna, lo studio fisico si incentra su tutti quei fenomeni che avvengono a scala atomica e subatomica o con velocita' prossime a quelle della luce; le teorie principali che costituiscono questa nuova fisica sono la meccanica quantistica e la relativita' generale. Piu' precisamente fanno parte di questa categoria tutte le teorie che sono state prodotte a partire dal XX secolo per cercare di spiegare alcuni fenomeni che le teorie classiche non riuscivano a dimostrare. Queste nuove teorie rappresentarono una "spaccatura" netta nel disegno teorico tracciato dalla fisica classica precedente in quanto ne hanno completamente rivisto idee e concetti di fondo in cui l'uomo aveva sempre creduto fin dai tempi piu' antichi: lo spazio e il tempo non sono piu' considerati assoluti, ma sono relativi al sistema di riferimento che si sceglie, e non sono separati, ma formano un'unica entita' chiamata spazio-tempo. La velocita' della luce e' la massima velocita' possibile nell'universo. Il concetto di misura e osservabile fisico vengono completamente rivisti in quanto con il principio di indeterminazione di Heisenberg si stabilisce che esistono coppie di grandezze fisiche non misurabili simultaneamente con precisione arbitraria. La stessa materia fisica dell'universo mostra inoltre una doppia natura, corpuscolare e ondulatoria, attraverso il noto dualismo onda-particella espresso nel principio di complementarita'.
Misure
La misura e' il processo che permette di conoscere una qualita' di un determinato oggetto (ad esempio la lunghezza o la massa) dal punto di vista quantitativo, tramite un'unita' di misura, cioe' una grandezza standard che, presa N volte, associ un valore univoco alla qualita' da misurare. La branca della fisica che si occupa della misurazione delle grandezze fisiche e' chiamata metrologia. Il suo scopo e' quello di definire alcune grandezze fisiche indipendenti, dette fondamentali, dalle quali e' possibile ricavare tutte le altre (che sono dette derivate), di definire i corretti metodi di misurazione e di costruire i campioni delle unita' di misura adottate, in modo da avere un valore standard a cui fare riferimento in qualsiasi momento. Il sistema di unita' di misura universalmente accettato dai fisici e' il Sistema Internazionale (SI): esso e' basato su sette grandezze fondamentali, dalle quali derivano tutte le altre, ovvero:
-metro (m), per le misure di lunghezza;
-secondo (s), per gli intervalli di tempo;
-chilogrammo (kg), per le misure della massa;
-ampere (A), per le intensita' di corrente;
-kelvin (K), per le misure di temperatura;
-mole (mol), per la quantita' di sostanza;
-candela (cd), per l'intensita' luminosa.
La misura e' il processo che permette di conoscere una qualita' di un determinato oggetto (ad esempio la lunghezza o la massa) dal punto di vista quantitativo, tramite un'unita' di misura, cioe' una grandezza standard che, presa N volte, associ un valore univoco alla qualita' da misurare. La branca della fisica che si occupa della misurazione delle grandezze fisiche e' chiamata metrologia. Il suo scopo e' quello di definire alcune grandezze fisiche indipendenti, dette fondamentali, dalle quali e' possibile ricavare tutte le altre (che sono dette derivate), di definire i corretti metodi di misurazione e di costruire i campioni delle unita' di misura adottate, in modo da avere un valore standard a cui fare riferimento in qualsiasi momento. Il sistema di unita' di misura universalmente accettato dai fisici e' il Sistema Internazionale (SI): esso e' basato su sette grandezze fondamentali, dalle quali derivano tutte le altre, ovvero:
-metro (m), per le misure di lunghezza;
-secondo (s), per gli intervalli di tempo;
-chilogrammo (kg), per le misure della massa;
-ampere (A), per le intensita' di corrente;
-kelvin (K), per le misure di temperatura;
-mole (mol), per la quantita' di sostanza;
-candela (cd), per l'intensita' luminosa.
Spazio e Tempo
Il tempo e lo spazio sono delle grandezze fondamentali della fisica, assieme a massa, temperatura, quantita' di sostanza, intensita' di corrente, e intensita' luminosa: tutte le grandezze della fisica sono riconducibili a queste ultime. L'unita' di misura del tempo e' il secondo, che e' definito come la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133, mentre il metro e' l'unita' fondamentale dello spazio ed e' definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299.792.458 di secondo.
Prima del Novecento i concetti di spazio e di tempo erano considerati assoluti e indipendenti: si pensava che lo scorrere del tempo e le estensioni spaziali dei corpi fossero indipendenti dallo stato di moto dell'osservatore che le misurava, ovvero dal sistema di riferimento scelto. Dopo l'avvento della teoria della relativita' di Einstein i fisici dovettero cambiare opinione: le lunghezze e gli intervalli temporali misurati da due osservatori in moto relativo l'uno rispetto all'altro, possono risultare piu' o meno dilatati o contratti, mentre esiste un'entita', l'intervallo di Minkowski, che e' invariante e se misurata da entrambi gli osservatori fornisce il medesimo risultato; quest'entita' e' costituita dalle 3 coordinate spaziali piu' una quarta, quella temporale, che rendono questo oggetto appartenente ad uno spazio a 4 dimensioni. Cosi facendo, lo spazio e il tempo non sono piu' due quantita' fisse e indipendenti tra loro, ma sono correlate tra loro e formano un'unica e nuova base su cui operare, lo spazio-tempo. Con la relativita' generale, poi, lo spazio-tempo viene deformato dalla presenza di oggetti dotati di massa o energia (piu' in generale, di energia-impulso, vedi tensore energia impulso).
Massa
La massa e' una grandezza fisica fondamentale. Essa ha come unita' di misura nel Sistema internazionale il chilogrammo e viene definita nella meccanica newtoniana come la misura dell'inerzia offerta dai corpi al cambiamento del proprio stato di moto. Nella teoria della gravitazione universale di Newton svolge inoltre il ruolo di carica della forza gravitazionale. Questa doppia definizione della massa viene unita nella teoria della relativita' di Einstein, tramite il principio di equivalenza, ed inoltre essa viene legata all'energia di un corpo tramite la formula E = mc al quadrato. La massa resta sempre costante a differenza del peso. Esempio: sulla luna la massa resta costante, mentre il peso diventa un sesto.
Forza e Campo
I fenomeni naturali costituiscono l'oggetto di studio della fisica. Dall'alto a sinistra in senso orario: 1) La rifrazione della luce attraverso le gocce d'acqua produce un arcobaleno, un fenomeno studiato dall'ottica; 2) Un'applicazione: il laser; 3) Delle mongolfiere che sfruttano la forza di Archimede per volare; 4) Una trottola, un sistema studiabile in meccanica classica; 5) L'effetto di un urto anelastico; 6) Orbitali dell'atomo di idrogeno, spiegabili con la meccanica quantistica; 7) L'esplosione di una bomba atomica; 8) Un fulmine, un fenomeno elettrico; 9) Galassie fotografate con il Telescopio spaziale Hubble.
Nell'ambito della fisica, la forza viene definita come la rapidita' di variazione della quantita' di moto rispetto al tempo. Nel caso in cui la massa del corpo sia costante, la forza esercitata su un corpo e' pari al prodotto della massa stessa per l'accelerazione del corpo.
La forza esprime quantitativamente l'interazione di due corpi. L'interazione tra i corpi puo' avvenire attraverso una cosiddetta "area di contatto" (spesso assimilabile ad un punto) oppure puo' manifestarsi a distanza, attraverso quello che viene definito campo di forze. Il concetto di campo di forze puo' essere chiarito se si pensa alla natura vettoriale della forza: la forza infatti viene descritta dal punto di vista matematico da un vettore, per cui un campo di forze e' descritto in matematica come un campo vettoriale, cioe' il campo di forze indica punto per punto la direzione, il verso e il modulo (o intensita') della forza che viene esplicata tra due corpi. Il campo di forze puo' essere visualizzato tramite le sue linee di campo o le linee di flusso. Alcuni esempi di campi di forze sono: il campo magnetico, il campo elettrico e il campo gravitazionale.
Meccanica quantistica
La meccanica quantistica (anche detta fisica quantistica) e' la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e le reciproche interazioni, con particolare riguardo ai fenomeni caratteristici della scala di lunghezza o di energia atomica e subatomica. Come caratteristica fondamentale, la meccanica quantistica descrive la radiazione e la materia sia come fenomeno ondulatorio che come entita' particellare, al contrario della meccanica classica, dove per esempio la luce e' descritta solo come un'onda o l'elettrone solo come una particella. Questa inaspettata e contro intuitiva proprieta', chiamata dualismo onda-particella, e' la principale ragione del fallimento di tutte le teorie classiche sviluppate fino al XIX secolo. La relazione fra la natura ondulatoria e quella corpuscolare delle particelle e' definita nel principio di complementarita' e formalizzata nel principio di indeterminazione di Heisenberg.
Il tempo e lo spazio sono delle grandezze fondamentali della fisica, assieme a massa, temperatura, quantita' di sostanza, intensita' di corrente, e intensita' luminosa: tutte le grandezze della fisica sono riconducibili a queste ultime. L'unita' di misura del tempo e' il secondo, che e' definito come la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133, mentre il metro e' l'unita' fondamentale dello spazio ed e' definito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299.792.458 di secondo.
Prima del Novecento i concetti di spazio e di tempo erano considerati assoluti e indipendenti: si pensava che lo scorrere del tempo e le estensioni spaziali dei corpi fossero indipendenti dallo stato di moto dell'osservatore che le misurava, ovvero dal sistema di riferimento scelto. Dopo l'avvento della teoria della relativita' di Einstein i fisici dovettero cambiare opinione: le lunghezze e gli intervalli temporali misurati da due osservatori in moto relativo l'uno rispetto all'altro, possono risultare piu' o meno dilatati o contratti, mentre esiste un'entita', l'intervallo di Minkowski, che e' invariante e se misurata da entrambi gli osservatori fornisce il medesimo risultato; quest'entita' e' costituita dalle 3 coordinate spaziali piu' una quarta, quella temporale, che rendono questo oggetto appartenente ad uno spazio a 4 dimensioni. Cosi facendo, lo spazio e il tempo non sono piu' due quantita' fisse e indipendenti tra loro, ma sono correlate tra loro e formano un'unica e nuova base su cui operare, lo spazio-tempo. Con la relativita' generale, poi, lo spazio-tempo viene deformato dalla presenza di oggetti dotati di massa o energia (piu' in generale, di energia-impulso, vedi tensore energia impulso).
Massa
La massa e' una grandezza fisica fondamentale. Essa ha come unita' di misura nel Sistema internazionale il chilogrammo e viene definita nella meccanica newtoniana come la misura dell'inerzia offerta dai corpi al cambiamento del proprio stato di moto. Nella teoria della gravitazione universale di Newton svolge inoltre il ruolo di carica della forza gravitazionale. Questa doppia definizione della massa viene unita nella teoria della relativita' di Einstein, tramite il principio di equivalenza, ed inoltre essa viene legata all'energia di un corpo tramite la formula E = mc al quadrato. La massa resta sempre costante a differenza del peso. Esempio: sulla luna la massa resta costante, mentre il peso diventa un sesto.
Forza e Campo
I fenomeni naturali costituiscono l'oggetto di studio della fisica. Dall'alto a sinistra in senso orario: 1) La rifrazione della luce attraverso le gocce d'acqua produce un arcobaleno, un fenomeno studiato dall'ottica; 2) Un'applicazione: il laser; 3) Delle mongolfiere che sfruttano la forza di Archimede per volare; 4) Una trottola, un sistema studiabile in meccanica classica; 5) L'effetto di un urto anelastico; 6) Orbitali dell'atomo di idrogeno, spiegabili con la meccanica quantistica; 7) L'esplosione di una bomba atomica; 8) Un fulmine, un fenomeno elettrico; 9) Galassie fotografate con il Telescopio spaziale Hubble.
Nell'ambito della fisica, la forza viene definita come la rapidita' di variazione della quantita' di moto rispetto al tempo. Nel caso in cui la massa del corpo sia costante, la forza esercitata su un corpo e' pari al prodotto della massa stessa per l'accelerazione del corpo.
La forza esprime quantitativamente l'interazione di due corpi. L'interazione tra i corpi puo' avvenire attraverso una cosiddetta "area di contatto" (spesso assimilabile ad un punto) oppure puo' manifestarsi a distanza, attraverso quello che viene definito campo di forze. Il concetto di campo di forze puo' essere chiarito se si pensa alla natura vettoriale della forza: la forza infatti viene descritta dal punto di vista matematico da un vettore, per cui un campo di forze e' descritto in matematica come un campo vettoriale, cioe' il campo di forze indica punto per punto la direzione, il verso e il modulo (o intensita') della forza che viene esplicata tra due corpi. Il campo di forze puo' essere visualizzato tramite le sue linee di campo o le linee di flusso. Alcuni esempi di campi di forze sono: il campo magnetico, il campo elettrico e il campo gravitazionale.
Meccanica quantistica
La meccanica quantistica (anche detta fisica quantistica) e' la teoria fisica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e le reciproche interazioni, con particolare riguardo ai fenomeni caratteristici della scala di lunghezza o di energia atomica e subatomica. Come caratteristica fondamentale, la meccanica quantistica descrive la radiazione e la materia sia come fenomeno ondulatorio che come entita' particellare, al contrario della meccanica classica, dove per esempio la luce e' descritta solo come un'onda o l'elettrone solo come una particella. Questa inaspettata e contro intuitiva proprieta', chiamata dualismo onda-particella, e' la principale ragione del fallimento di tutte le teorie classiche sviluppate fino al XIX secolo. La relazione fra la natura ondulatoria e quella corpuscolare delle particelle e' definita nel principio di complementarita' e formalizzata nel principio di indeterminazione di Heisenberg.