Fisika

Maxwell e la teoria del campo elettromagnetico

einstein — Sat, 13 Aug 2011 13:32:08 +0000

James Clerk Maxwell fu un matematico e fisico scozzese divenuto famoso per aver elaborato una prima teoria moderna sull’elettromagnetismo; egli per primo dimostrò infatti che i campi elettrici, così come quelli magnetici, sono correlati e si propagano sotto forma di onde alla velocità della luce.

Le quattro equazioni

La sua teoria del campo elettromagnetico si sviluppa attraverso quattro equazioni, enunciate nel 1873 all’interno dell’opera “Trattato su elettricità e magnetismo”. In questo testo vengono definiti per la prima volta i rapporti tra campo elettrico e campo magnetico, la scoperta della connessione tra i due ambiti e la formulazione delle equazioni di Maxwell, aprirono le porte agli studi successivi sulle onde elettromagnetiche e all’elaborazione della nuova teoria di gravitazione di Einstein. Le quattro equazioni spiegano le dinamiche dei campi elettromagnetici e sono denominate: legge di Gauss, o teorema del flusso, secondo la quale il flusso del campo elettrico in un sistema chiuso dipende solamente dalla carica elettrica racchiusa al suo interno; legge di Faraday, anche detta legge di induzione elettromagnetica, mette in relazione elettricità e magnetismo ed è ancora oggi la base teorica su cui vengono costruiti motori elettrici e generatori di corrente. Abbiamo poi nuovamente la legge di Gauss, applicata questa volta al campo magnetico, e infine la legge di Ampère-Maxwell che descrive il rapporto proporzionale che intercorre fra campo elettrico e campo magnetico.

I campi elettromagnetici

Attraverso le quattro equazioni di Maxwell viene dimostrato che i campi elettrici producono a loro volta campi magnetici, vi sono descritte inoltre le modalità attraverso cui si sviluppa il rapporto fra loro. L’elettromagnetismo (anche detto “interazione elettromagnetica”) in Fisica viene descritto come una delle quattro forze fondamentali che strutturano l’Universo. L’interazione elettromagnetica avviene tramite i fotoni, particelle elementari di radiazione elettromagnetica la cui teorizzazione fu elaborata da Einstein. I fotoni hanno avuto un grande impiego nella produzione di laser e nel campo dell’ottica, ma rivestono un ruolo fondamentale anche nella fisica teorica. Pertanto risulta chiaro come la scoperta dell’esistenza dei campi elettromagnetici sia stata fondamentale non solo per i fisici, ma anche per le innovazioni tecnologiche al servizio di tutti.

Foto: EtiAmmos – Fotolia

Fisica newtoniana

einstein — Thu, 11 Aug 2011 13:26:31 +0000

Alla fine del ‘600 Newton portò a compimento la rivoluzione scientifica iniziata da Galilei e Keplero, dando forma ad alcune teorie fondanti della fisica: le tre leggi fondamentali della dinamica sono state formulate proprio da lui.

Il metodo scientifico

Newton si schierò contro i filosofi e il loro approccio metafisico nei confronti della realtà, proponendo non ipotesi, ma fatti basati sul metodo empirico. La sua ricerca di leggi universali in grado di spiegare i fenomeni fisici lo porta a elaborare il metodo che tutt’oggi viene utilizzato nella ricerca scientifica: formulare teorie, effettuare esperimenti, elaborare delle conclusioni di ordine generale. Gli esperimenti e l’osservazione diretta dei fenomeni sono una parte fondamentale dell’investigazione scientifica, in questo modo Newton ha creato il metodo scientifico moderno. Il libro dal titolo “I principi matematici della filosofia naturale” di Newton, viene considerato un’opera fondamentale del pensiero scientifico moderno. Nelle sue pagine vengono enunciate le leggi della dinamica e la legge di gravitazione universale, cioè il principio di attrazione che regola il moto degli astri e da cui dipende la forza di gravità.

Dinamica

La dinamica è un ramo della meccanica, entrambe fanno parte della fisica e si occupano di descrivere le modalità e le cause del movimento dei corpi. La dinamica viene esplicata da Newton tramite tre assiomi: la I legge riprende e completa la teoria galileiana dell’inerzia e afferma che un corpo in stato di quiete o di moto rettilineo continuerà a persistere in questo stato finché non intervenga una forza esterna a mutarne la condizione. Il II principio (o legge di Newton), cioè la variazione della quantità di moto, afferma che l’accelerazione di un corpo è proporzionale alla forza che viene impressa su di esso quindi, a parità di condizioni, maggiore è la forza impressa su di un corpo, maggiore sarà la sua accelerazione. Il III principio afferma che a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria, ed è perciò detto “principio di azione e reazione”, questo presuppone che il moto nasca sempre dall’interazione di due forze. In queste formulazioni Newton fornisce anche una prima descrizione del parametro della massa.

Illustrazione: Georgios Kollidas – Fotolia

La nanotecnologia molecolare

einstein — Wed, 10 Aug 2011 13:22:36 +0000

La nanotecnologia raggruppa una serie di scienze tra cui biologia, chimica, ingegneria, fisica ed elettronica, le cui conoscenze vengono applicate su una scala di dimensioni piccolissime (scala nanometrica) per manipolare la materia a livello molecolare.

Gli scopi

Gli sviluppi della nanotecnologia molecolare potrebbero rivoluzionare il sistema economico mondiale: la possibilità di manipolare le molecole attraverso nano macchine controllate dall’uomo porterebbe alla produzione di qualsiasi cosa senza l’utilizzo di manodopera né di materie prime in quanto ogni materiale verrebbe immediatamente ricavato attraverso processi chimici interni. In questo modo gli scienziati ritengono che una società in possesso di nanotecnologie sviluppate sarà libera ed equa. Infatti senza bisogno di materie prime verrebbe eliminata una delle ragioni principali dello scoppio di guerre, inoltre in assenza di industrie anche la produzione di materie inquinanti verrebbe drasticamente ridotta. C’è chi ipotizza anche un impiego di nanotecnologie in architettura per creare edifici simili ad organismi viventi, in grado di sfruttare energia chimica e di adattarsi ai cambiamenti. A parte queste visioni futuristiche che in larga misura hanno ancora il gusto della fantascienza, l’impatto più importante della nanotecnologia sulla vita di tutti i giorni è sicuramente il suo utilizzo a scopo medico. La ricostruzione di cellule attraverso procedimenti molecolari controllati sarebbe in grado di combattere efficacemente molte malattie degenerative non curabili con la medicina tradizionale.

Il problema etico

La nanotecnologia molecolare pone dei problemi di natura etica in quanto l’intervento sulle molecole produce un effetto simile a quello della clonazione. A livello biologico la polemica sulla clonazione animale e umana (anche parziale) rimane aperta, così come la discussione sui prodotti OGM. Controllare lo sviluppo e la riproduzione delle molecole potrebbe portare indubbi vantaggi in medicina e in altri settori scientifici, con un miglioramento effettivo delle condizioni di vita degli esseri umani su scala globale. Tuttavia la prospettiva di alcune derive a cui questa tecnologia potrebbe portare impone delle serie riflessioni sul suo impiego e la sua regolamentazione. I timori principali sono quelli legati al rischio di omologazione dovuti a pesanti manipolazioni genetiche. Ma la nanotecnologia investe molti altri campi e il suo sfruttamento ragionato può produrre enormi vantaggi.

Einstein e la fisica quantistica

einstein — Wed, 03 Aug 2011 13:17:25 +0000

All’inizio del XX secolo una serie di nuove teorie mise in discussione le leggi della fisica classica: l’ambito di riferimento era l’infinitamente piccolo, cioè le dinamiche interne alle particelle subatomiche, in questo contesto Einstein fu uno dei rappresentanti della cosiddetta “vecchia teoria dei quanti”.

Meccanica quantistica

Il mondo delle particelle subatomiche ha un funzionamento molto diverso dal nostro, per questo le leggi fisiche tradizionali si dimostrarono inadatte ad esplicarne le dinamiche. La meccanica quantistica cerca di descrivere il movimento delle particelle e al contrario della meccanica classica non esprime certezze, ma probabilità, in quanto il sistema fisico che studia non è univocamente determinabile. A livello subatomico le particelle sono instabili quindi è impossibile determinare una volta per tutte i loro cambiamenti all’interni dei parametri di spazio e tempo. La fisica moderna si occupa quindi dello studio delle particelle, base della fisica atomica e subatomica, ma anche della fisica teorica. Quella che oggi viene definita “vecchia” teoria dei quanti è una serie di riflessioni elaborate negli anni ’30, in quel momento gli scienziati cercavano ancora di applicare le leggi della fisica classica alle particelle, modificandole parzialmente per spiegare le differenze. Einstein nel 1905 dimostra la validità della teoria dei quanti del fisico tedesco Plank che, insieme alla sua teoria della relatività, diventò il fondamento di tutta la fisica teorica.

L’errore di Einstein

Nonostante il grande impulso dato alla fisica teorica tuttavia Einstein non credeva fosse possibile discostarsi del tutto dalle leggi della fisica classica, per questo elaborò un paradosso per mettere in luce quelle che secondo lui erano le falle della teoria quantistica. Questa afferma che particelle complementari provenienti da una stessa sorgente (ad esempio positrone ed elettrone), anche se lontane diversi chilometri l’una dall’altra, saranno sempre strettamente collegate tanto che la misurazione dell’una sarà in grado di fornire informazioni anche sull’altra e qualsiasi cambiamento avvenuto su di una, influenzerà contemporaneamente anche l’altra. Il fatto che questo legame andasse oltre la concezione fisica dello spazio e del tempo rendeva per Einstein tale teoria inconsistente. Tuttavia è stata in seguito confermata attraverso esperimenti con acceleratori di protoni.

Foto: Sandor Jackal – Fotolia

Società italiana di Fisica

einstein — Tue, 02 Aug 2011 13:11:03 +0000

La SIF nasce nel 1897 con lo scopo di diffondere le scoperte scientifiche nel campo della fisica, di promuoverne lo studio in Italia e di permettere ai fisici italiani di scambiare informazioni fra loro riguardo le nuove teorie provenienti da tutto il mondo.

Attività dell’associazione

La Società Italiana di Fisica è un’organizzazione senza scopo di lucro costituita da diversi membri che fanno parte della comunità scientifica italiana, questi si dividono in soci effettivi e soci onorari. I membri effettivi possono essere sia persone fisiche che enti, mentre i soci onorari sono le personalità che si sono particolarmente distinte nel campo della scienza. L’attuale presidentessa è Luisa Cifarelli, titolare di cattedra presso l’Università di Bologna. Il contesto universitario è fondamentale e per questo ogni anno la SIF tiene un convegno in un ateneo italiano, per mettere in contatto gli studenti di fisica con le ultime novità in ambito di ricerca scientifica. Dal 1984 la rivista di informazione della società di fisica si chiama “Il Nuovo Saggiatore”, si tratta del principale bollettino scientifico italiano e viene distribuito gratuitamente a tutti i membri, dal 1999 anche in formato elettronico. Attualmente è disponibile per tutti, scaricabile in pdf sul sito della SIF. La rivista è scritta sia in italiano che in inglese.

Corsi di fisica e convegni

Nel 1953 la Società ha fondato la Scuola Internazionale di Fisica, intitolata a Enrico Fermi, la sua sede si trova a Varenna, sul lago di Como. La scuola ospita tre corsi l’anno, questi vengono organizzati nei mesi estivi e hanno una durata di una o due settimane. Ciascuno di questi corsi è aperto a una cinquantina di scienziati, attentamente selezionati da una commissione della SIF. Durante questo periodo avviene un florido scambio di idee e vengono sviluppate insieme nuove proposte di ricerca. Durante l’anno vengono svolti molti convegni ma l’evento principale rimane sempre il Congresso Nazionale: si svolge nell’arco di una settimana e raduna gli esperti di tutti i vari rami della fisica, per ritrovarsi e aggiornarsi a vicenda. Ogni anno il Congresso si tiene in un luogo diverso, nel 2011 la sua sede è L’Aquila.

Illustrazione: theogott – Fotolia

La Fisica

einstein — Sun, 31 Jul 2011 13:06:18 +0000

La fisica è la scienza che si occupa di descrivere tutti i fenomeni misurabili che ci circondano, si basa su osservazioni e verifiche per giungere alla teorizzazione di leggi universali, sulle quali sviluppare nuove teorie in grado di spiegare la realtà in tutti i suoi aspetti.

Il metodo sperimentale

E’ l’approccio moderno alle scienze e richiede un’osservazione diretta e lo svolgimento di numerosi esperimenti di verifica, allo scopo di analizzare i fenomeni fisici nel modo più preciso possibile. Prima di elaborare una legge scientifica, sulla base della quale in seguito potrebbero essere costituite altre teorie, il fisico compie delle osservazioni, esprime delle ipotesi e poi attraverso una serie di esperimenti cerca di accertarne la validità, per ottenere una conferma o una smentita delle sue idee. Gli esperimenti avvengono in ambiente controllato, privo degli ostacoli che si incontrerebbero nel mondo esterno, proprio per concentrare la ricerca sul fenomeno in causa. La fisica si occupa poi di ricondurre i fenomeni a formule matematiche per poter elaborare delle leggi universali, spesso unificate in teorie generali nel caso trattino di argomenti simili. Tuttavia i risultati degli esperimenti hanno di per sé solo valore statistico, nel senso che, come in ogni altra scienza, ogni legge fisica è vera finché non intervenga qualcosa a rimetterla in discussione.

L’innovazione tecnologica

Lo sviluppo di strumenti più precisi e potenti potrebbe creare nuove condizioni in grado di mettere in dubbio la validità degli esperimenti più vecchi, in questo senso le leggi fisiche hanno una natura perfettibile. Lo scopo dei fisici è proprio quello di sfruttare le nuove tecnologie per confermare, confutare o migliorare le principali teorie scientifiche e, possibilmente, elaborarne delle nuove. Il laboratorio di fisica più grande del mondo è il CERN, la cui sede si trova in Svizzera, vicino Ginevra. L’organizzazione europea effettua ricerche sulle particelle subnucleari, una branca sperimentale della fisica moderna vicina alla fisica teorica, che sfrutta le teorie di meccanica quantistica e della relatività generale di Einstein. Per quanto riguarda la fisica tradizionale invece le grandezze fondamentali sono lo spazio, il tempo, la massa e fanno capo alla teoria della relatività di Galilei.

Immagine: Pulsar75 – Fotolia