Richard P. Feynman

Storia di un fisico Maestro di Scienza e di vita

Perché vostro figlio può essere un genio …

• Sistema di allarme in camera che scatta quando si apre la porta

• Riparatore di radio a 12 anni• Una stazione radiotrasmittente • Esperimenti e giochi di Fisica e Chimica• Il genio e la scuola …

Gli anni dell’Università

• Il MIT e il lavoro estivo

• La “Metalplast Corporation” e la placcatura di materiali plastici

• Il trasferimento a Princeton e il Ciclotrone

Los Alamos 1

• Lavorare per l’esercito: tecnico di calcolatori meccanici per balistica

• L’adesione al progetto Manhattan: la ricerca sui sistemi di arricchimento dell’Uranio

• La laurea e la partenza per Los Alamos

Los Alamos 2

• Poca ricerca, molta ingegneria: il lavoro con Von Neumann sui sistemi di calcolo

• Prestigiose collaborazioni: H. Bethe, J. Von Neumann, E. Fermi, N. Bohr

Los Alamos 3

• La bomba e la sua pesante eredità

• Vicende personali sfortunate …

• … non alterano la passione per gli scherzi (Feynman scassinatore di casseforti)

• Il tempo libero: la passione del tamburo

Dopo la Bomba

• Si torna alla ricerca teorica: la QED (la nuova teoria dell’elettromagnetismo)

• L’incarico a Ithaca (Cornell University)

• Dalla crisi di motivazioni alla riscoperta della Fisica come “Cimento”

Il Caltech e il Nobel

• Feynman si trasferisce a Los Angeles (Caltech)

• 1965: Riceve il premio Nobel per la Fisica

• Gli studi sulle interazioni elementari (la violazione della parità nel decadimento beta)

Il Caltech e il Nobel

• La curiosità per tutti i campi del sapere: dalla decifrazione di codici Maya, all’arte, alla biologia, allo studio dei sogni e delle visioni

La didattica e il metodo della Scienza

• Feynman viene invitato a partecipare ai lavori della commissione ministeriale di controllo sui libri scolastici: la critica ai metodi didattici correnti

• La “Scienza da culto del Cargo”: l’onestà e l’integrità nella ricerca della Verità

L’elettrodinamica quantistica (QED): la

nuova teoria delle interazioni tra luce e

materia

Dalla rivoluzione dei quanti al problema delle interazioni fondamentali

• 1900: la radiazione di “corpo nero” e l’ipotesi dei quanti

• 1905: l’effetto fotoelettrico e i quanti di luce: la luce è fatta di onde e di corpuscoli

• 1911: la scoperta del nucleo atomico (Ernest Rutherford)

• 1913: la teoria atomica di Bohr e l’azione quantizzata; l’atomo a livelli discreti

• L’urto tra fotone ed elettrone (esperienza di Compton 1923)

h

vmp

hE

• 1924: L. V. De Broglie e le onde - particelle

• 1926: esperienza di Davisson e Germer: diffrazione di un fascio di elettroni

• Meccanica matriciale (W. Heisenberg) e meccanica ondulatoria (E. Schroedinger)Uhlenbeck e Goudsmit: lo spin dell’elettrone

•1927: il principio di indeterminazione (W: Heisenberg) Pauli inquadro lo spin nel formalismo della meccanica quantistica (M. Born)L’interpretazione statistica della “funzione d’onda”Dirac e l’equazione quanto - relativistica dell’elettrone (la previsione dell’esistenza dell’antimateria)

La diffrazione come esempio di “indeterminazione”

Un fascio laser (onde coerenti) incidente una fenditura stretta (dimensioni confrontabili con la si allarga

Se la fenditura si stringe (si definisce meglio la posizione dei fotoni), il fascio si allarga (la direzione del moto nel senso della larghezza è più incerta)

Relazioni di indeterminazione

tE

pz

py

px

z

y

x

La somma di 2 onde: l’interferenza sullo schermo si alternano punti in cui le onde si sommano in fase (interferenza costruttiva), e punti in cui le onde si sommano in opposizione di fase (interferenza distruttiva).

21 NNN tot

Somma di due fasci di corpuscoli: in ogni punto dello schermo si sommano i corpuscoli che arrivanodalle due fenditure.

21 NNN tot

L’interferenza di onde materiali scompare quando si cerca di sapere attraverso quale fenditura passa l’elettrone.

Le caratteristiche ondulatorie sono legate alla quantità di moto e alla velocità

Le caratteristiche corpuscolari sono legate alla posizione (posso determinare la posizione di un corpuscolo e non di un’onda)

Il comportamento ondulatorio (che si rivela quando si misura la q. di moto) esclude quello corpuscolare (che si rivela quando si misura la posizione) e viceversa.

Gli studi sulle interazioni fondamentali

• Manca una teoria dell’interazione elettromagnetica: gli studi quantistici sull’elettrone non avevano risolto il problema delle interazioni

• Esistono due equazioni che definiscono il comportamento dell’elettrone (Dirac) e del fotone, quanto del campo elettromagnetico (Klein - Gordon).

Una teoria per l’interazione elettromegnetica (e non solo): la Q.E.D. (quantum electrodynamics) di R. Feynman

• Carattere probabilistico: un elettrone e un fotone possono avere comportamenti diversi, ciascuno dei quali ha una data probabilità di verificarsi

• La probabilità è descritta da una funzione d’onda ψ (l’ampiezza di probabilità, mentre la “densità di probabilità” è descritta da )

• Regole

1) l’ampiezza di una sequenza di eventi consecutivi o contemporanei è il prodotto delle ampiezze dei singoli eventi

2ψ

2) Se un dato evento può verificarsi secondo più modalità alternative, la sua ampiezza è la somma delle ampiezzedei singoli eventi

3) la somma delle ampiezze di probabilità è una somma vettoriale.

(per vettori che hanno la stessa direzione e lo stesso verso, il modulo della somma è la somma dei moduli; per vettori chehanno direzione opposta il modulo della somma è la differenza dei moduli)

Le trasformazioni del “vettore - ampiezza”:

•Contrazione: l’ampiezza di probabilità di una particellain seguito ad un’interazione viene moltiplicata perun fattore di contrazione

•Rotazione: il modo in cui una particella si propaga si può rappresentare con una freccia (la direzione della freccia corrisponde alla fase dell’onda). L’interazione con una particella fa ruotare la freccia (cambia la fase dell’onda).

L’interazione elettromagnetica come interazione fotone - elettrone:

• Il ruolo dell’indeterminazione energia - tempo e della equivalenza relativistica massa - energia

Il campo elettromagnetico è prodotto dall’emissione di quanto o fotoni “virtuali”.

L’interazione elettromagnetica è interpretata come scambio di fotoni virtuali.

c

rt

cmE

tE

0

20

media" vita"

azioned' raggio

azioneindetermindall' creata""

particella della riposo a massa

0

0

00

t

r

m

crm

La rappresentazione grafica dei fenomeni elementari nello spazio - tempo relativistico: i diagrammi di Feynman.

propagazione di un fotone da A a B

In questo modo, tenendo conto del fatto che la luce segue percorsi compiuti nel tempo minimo (principio di Fermat) si spiegano tutti i comportamenti più comuni della luce, come ad esempio la riflessione (l’angolo di incidenza è uguale a quello della riflessione è la situazione più probabile perché le frecce corrispondenti ai percorsi più lontani sono più aperte e sommandosi danno somme vicine a 0) …

… e la rifrazione (anche qui le frecce più lontane dal percorso corrispondente al minimo tempo di percorrenza sono vicine a 0).

A

B

xx

tt

Propagazione di un elettrone da A a B, nel più semplice dei modi possibili.

Modi alternativi in cui l’elettrone si può propagare da A a B.

L’ampiezza complessiva che descrive il percorso da A a B, è la somma (integrale) delle ampiezze dei percorsi alternativi.

L’ampiezza di ogni singolo percorso è il prodotto delle ampiezze delle sue tappe intermedie per un fattore

per ognuno dei traguardi parziali.

Tale fattore rappresenta la massa dell’elettrone:un elettrone può propagarsi da A a B nello spazio tempo lungo tutti i percorsi tali che

perché non può superare la velocità della luce.

2n

0212

212

2 xxttc

Viceversa il fotone (non essendo dotato di massa) può soltanto muoversi da A a B nel percorso indicato nel primo diagramma (tutti gli altri termini dell’ampiezza che rappresentano i percorsi alternativi sono nulli essendo dipendenti dalla massa).

I maggiori contributi all’ampiezza della propagazione del fotone sono quelli per cui si ha circa

0212

212

2 xxttc

La descrizione di 3 fenomeni elementari alla base dell’elettrodinamica quantistica

• La propagazione del fotone

• La propagazione dell’elettrone

• L’assorbimento o l’emissione di un fotone da parte dell’elettrone

Interazione tra un fotone ed un elettrone

Elettrone in un campo magnetico

Per questo processo (assorbimento o emissione di un fotone da parte di un elettrone) ci sono vari modi di interazione: l’ampiezza del processo è la somma delle ampiezze corrispondenti ai modi alternativi. Esempi:

Ad ogni processo alternativo corrisponde un’ampiezza di probabilità che è data dal prodotto delle ampiezze che descrivono le propagazioni dei fotoni e dell’elettrone nelle diverse “tappe” del suo viaggio, moltiplicato per una costante caratteristica dell’interazione per ogni emissione o assorbimento.

Tale costante è adimensionale ed è nota come la costante di “struttura fine”; essa è data dalla relazione

137

1

2

c

e

Su queste basi vengono spiegati tutti i processi elettromagnetici:

Interazione tra due elettroni (due esempi di modi possibili):

La diffusione della luce da parte di un elettrone …

… e l’esistenza dell’antimateria (elettroni che vanno indietro nel tempo!!!).

L’interazione tra nucleo ed elettroni che determina la struttura degli atomi:

L’assorbimento e l’emissione di luce da parte degli atomi …

… ma anche le altre interazioni: l’interazione forte tra i quark (che si scambiano gluoni) …

… e l’interazione debole (il decadimento “beta” del neutrone) …

… e le “correnti deboli” … dei bosoni – vettori W e Z

•La prima prova sperimentale: il calcolo esatto del momento magnetico dell’elettrone:

1.001159652193 ± 1.0 x10-11. 52 ·

Il modello standard: tutte le teorie seguenti sulle interazioni fondamentali sono state costruite sul modello della QED: interazioni che avvengono con scambio di particelle “mediatrici” (Bosoni W e Z per l’interazione debole, Gluoni per le interazioni forti nel modello a quark)

mc

e

2

Con la QED si passa da una descrizione del mondo fisico elementare basato su tre entità (particelle, fotoni di luce e campi di forze) al modello delle “interazioni di scambio”, che verrà esteso anche alle altre forze fondamentali.

Cos’ anche le forze diventano “particelle”: tutto il mondo fisico è fatto di particelle! (“economia concettuale”).

Ecco perché sono così importanti gli acceleratori di particelle!!!

Lo Shuttle e l’addio

• 1986: Feynman viene nominato (controvoglia) dall’amministrazione Reagan consulente tecnico nell’inchiesta sulla catastrofe dello Shuttle e dimostra pubblicamente l’inadeguatezza della gomma di cui erano costituite le guarnizioni, immergendone un anello in un bicchier d’acqua ghiacciata.

R.P. Feynman: “Sta scherzando Mr. Feynman”, Zanichelli

R.P. Feynman: “QED”, Adelphi

R.P. Feynman: “La legge fisica”, Boringhieri

Y. Kirsch, Y. Ne’eman. “Cacciatori di particelle”, Boringhieri

K. Ford: “La Fisica delle particelle”, Mondadori

L.D.Landau: “Fisica quantistica relativistica”, Ed. Riuniti

G. Gamow: “I trenta anni che sconvolsero la Fisica”, Zanichelli

Bibliografia di riferimento: