Manuale di fisica contemporanea
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Questo libro affronta in modo sintetico tutte le teorie della fisica contemporanea, dalla relatività (ristretta e generale) alla meccanica quantistica e alla teoria quantistica dei campi, passando per la fisica nucleare e quella delle particelle. In aggiunta, sono esposti i rudimenti di fisica dei plasmi, dello stato solido, dei semiconduttori e della teoria dei gruppi.
L'approccio di questo manuale è quello di affrontare direttamente il formalismo matematico e di presentare le equazioni principali di ogni teoria, spiegandone il significato e le conseguenze nonché le problematiche lasciate aperte.
Il filo logico che lega i differenti paragrafi è dato da un superamento delle vecchie teorie per rispondere alle nuove esigenze; nel frattempo, sarà dato risalto a due direttive principali nella fisica contemporanea: la tendenza verso l'unificazione delle teorie fisiche e il ruolo fondamentale dell'energia nelle equazioni alla base di ognuna di esse.
Simone Malacrida
Simone Malacrida (1977) Ha lavorato nel settore della ricerca (ottica e nanotecnologie) e, in seguito, in quello industriale-impiantistico, in particolare nel Power, nell'Oil&Gas e nelle infrastrutture. E' interessato a problematiche finanziarie ed energetiche. Ha pubblicato un primo ciclo di 21 libri principali (10 divulgativi e didattici e 11 romanzi) + 91 manuali didattici derivati. Un secondo ciclo, sempre di 21 libri, è in corso di elaborazione e sviluppo.
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Anteprima del libro
Manuale di fisica contemporanea - Simone Malacrida
Manuale di fisica contemporanea
DA EINSTEIN AI GIORNI NOSTRI
SIMONE MALACRIDA
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Questo libro affronta in modo sintetico tutte le teorie della fisica contemporanea, dalla relatività (ristretta e generale) alla meccanica quantistica e alla teoria quantistica dei campi, passando per la fisica nucleare e quella delle particelle. In aggiunta, sono esposti i rudimenti di fisica dei plasmi, dello stato solido, dei semiconduttori e della teoria dei gruppi.
L’approccio di questo manuale è quello di affrontare direttamente il formalismo matematico e di presentare le equazioni principali di ogni teoria, spiegandone il significato e le conseguenze nonché le problematiche lasciate aperte.
Il filo logico che lega i differenti paragrafi è dato da un superamento delle vecchie teorie per rispondere alle nuove esigenze; nel frattempo, sarà dato risalto a due direttive principali nella fisica contemporanea: la tendenza verso l’unificazione delle teorie fisiche e il ruolo fondamentale dell’energia nelle equazioni alla base di ognuna di esse.
Simone Malacrida (1977)
Ingegnere e scrittore, si è occupato di ricerca, finanza, politiche energetiche e impianti industriali.
I libri pubblicati si possono trovare qui:
http://www.amazon.com/-/e/B00J23W2N4
INDICE ANALITICO
INTRODUZIONE
SISTEMA INTERNAZIONALE
PREFISSI
COSTANTI FISICHE
OPERATORE NABLA
CENNI DI CALCOLO TENSORIALE
I – LA TEORIA DELLA RELATIVITA’ RISTRETTA
II – L’ELETTROMAGNETISMO
III – I PROBLEMI DELLA FISICA CLASSICA
IV – LA MECCANICA QUANTISTICA
V – LA TEORIA QUANTISTICA DEI CAMPI
VI – FISICA NUCLEARE, DELLE PARTICELLE E UNIFICAZIONI
VII – LA TEORIA DELLA RELATIVITA’ GENERALE E L’ASTROFISICA
APPENDICE 1 – LA FISICA DEI PLASMI
APPENDICE 2 – LA FISICA DELLO STATO SOLIDO E DEI SEMICONDUTTORI
APPENDICE 3 – LA TEORIA DEI GRUPPI
POSTILLA
INTRODUZIONE
––––––––
Raccontare la fisica contemporanea, e la storia di questa scienza, parlando di ciò che è accaduto negli ultimi 150 anni è ormai abbastanza frequente, soprattutto se si considerano i campi di applicazione della relatività, dell’elettromagnetismo, della meccanica quantistica e della fisica nucleare.
Sono presenti numerosi scritti divulgativi, specialmente se riferiti ad un singolo settore sopracitato e vi sono, in aggiunta, intere biblioteche di testi specializzati a livello universitario e ben oltre.
Di solito, queste due tipologie antitetiche e complementari hanno in comune la caratteristica di una certa lunghezza degli scritti. Spiegare minuziosamente a livello divulgativo oppure enunciare le teorie, complete di equazioni e di conseguenze, sono esercizi che richiedono un gran numero di parole e di pagine.
Questo breve manuale possiede invece una tipica stringatezza dovuta alla sintesi estrema nell’esposizione di alcuni concetti e di alcuni effetti.
Non saranno affrontati discorsi totalmente divulgativi e nemmeno saranno esposti tutti i passaggi matematici necessari o i prerequisiti scientifici per capire a pieno queste teorie. Ciò non di meno, saranno enunciate e spiegate tutte le equazioni principali di questo secolo e mezzo, passando da una teoria all’altra.
In aggiunta, non si seguirà un ordine puramente cronologico, quanto piuttosto logico, iniziando da un anno considerato come fondamentale, il 1905, e poi ritornando indietro prima di proseguire lungo il corso del Novecento. Anche successivamente, lasceremo alla fine l’esposizione della relatività generale anticipando invece teorie che sono state enunciate decenni dopo.
Questo ordine logico fa parte di una visione personale dell’autore (e non potrebbe essere altrimenti), ma sarà sicuramente di aiuto per comprendere lungo quali direttive è progredita la conoscenza fisica contemporanea.
I sette paragrafi di questo manuale sono in qualche modo indipendenti l’uno dall’altro, affrontando ognuno di essi un argomento a sé stante. È ben vero che vi è un filo logico che lega tutti i paragrafi e che costituisce l’ossatura del manuale, nonché l’idea iniziale dalla quale è scaturito lo stesso. Proprio seguendo questo filo logico si vedranno tutti quei parallelismi e tutte quelle novità, molto spesso ignote anche agli addetti ai lavori.
Per tale motivazione, almeno tre argomenti sono omessi dalla parte principale del libro e presentati in appendice. Il filo logico che si è scelto per la descrizione della fisica contemporanea è indipendente dalla fisica dei plasmi, da quella dello stato solido e dalla teoria dei gruppi. Ciò non di meno, questi argomenti fanno parte della fisica contemporanea ed è per questo che saranno comunque enunciati, seppure, come già ricordato, in appendice.
In breve, possiamo riassumere gli argomenti dei sette paragrafi che costituiscono il cuore
di questo manuale, come di seguito:
––––––––
1) La teoria della relatività ristretta
2) L’elettromagnetismo e le equazioni di Maxwell
3) Le problematiche della fisica classica
4) La meccanica quantistica e la conciliazione con la relatività ristretta
5) La seconda quantizzazione e la teoria quantistica dei campi
6) Le interazioni nucleari, la fisica delle particelle e l’unificazione delle forze
7) La relatività generale e le conseguenze astrofisiche
––––––––
Come si vede da questo succinto elenco di argomenti, ogni paragrafo sarebbe di per sé argomento di un intero libro e, per ognuno di questi settori della fisica, vi sono corsi universitari completi. È ovvio quindi che non può esserci una completezza nella descrizione di così tanti fenomeni in così poche pagine.
Questo manuale non ha di certo una pretesa così velleitaria. In modo molto più semplice, si propone uno schema logico che tende a legare in un unico discorso una serie di teorie fisiche disparate come a dipingere un quadro comune dello scibile che si muove lungo precise direzioni.
Una di queste direzioni è la tendenza all’unificazione ossia alla messa in comune di fenomeni e di teorie che, a prima vista, sembrano scollegate ma che la scienza ci dice essere, decennio dopo decennio, sempre più interconnesse come facce del medesimo dado.
Un’altra caratteristica molto comune è il ruolo fondamentale che l’energia ha in ognuna di queste teorie. Si possono enunciare facilmente delle equazioni energetiche che poi sono alla base degli assunti teorici e sperimentali.
Ne avremo la certezza sia con la relatività ristretta, tramite l’equazione di Einstein posta in apertura del manuale, sia con la meccanica quantistica che prendeva slancio dall’equazione per l’energia quantizzata di Planck fino ad arrivare all’equazione (anch’essa energetica) di Schrodinger sia con la relatività generale nella quale il tensore energia occupa un posto di rilievo.
Una terza peculiarità che sarà messa in evidenza è il continuo superamento dei problemi precedenti. Come vedremo, molte teorie sono nate per rispondere a problematiche, sperimentali e teoriche, non spiegabili da quanto scoperto dalla scienza di allora. Una volta strutturate tali nuove teorie, si costatava che i problemi precedenti erano facilmente risolti, mentre ne sorgevano degli altri.
Questa caratteristica fa dunque parte di un’eterna corsa verso la migliore descrizione di ciò che ci circonda e di una migliore comprensione di tutti i fenomeni esistenti, sulla scia di una derivazione del mito di Ulisse, che incarna l’eterna propensione dell’uomo alla conoscenza.
Queste direttive principali metteranno in luce anche una fondamentale certezza. Le teorie attuali, quelle considerate più generali in assoluto e verificate sperimentalmente, non sono né complete, né esaustive né tantomeno totalmente corrette.
La teoria quantistica dei campi, che comprende sia la generalizzazione della meccanica quantistica sia la conciliazione con la relatività ristretta sia la spiegazione delle interazioni nucleari (almeno di quella debole) ha delle problematiche e delle limitazioni tali per cui alcuni fenomeni fisici non sono in accordo ad essa. Allo stesso modo si può dire della teoria della relatività generale.
In sostanza, queste due teorie, non riuscendo a spiegare la totalità dei fenomeni, non sono così generali come noi pensiamo; molto probabilmente sono delle approssimazioni di una teoria ancora più vasta. Questo assunto si basa anche sulla realtà di fatto che nessuna delle due teorie citate contempla i risultati dell’altra all’interno delle proprie previsioni e che vi sono difficoltà, per ora insormontabili, per conciliare le due visioni in un unico concetto logico sovrastante.
L’anima dello scritto coincide con l’idea alla base di questo manuale, quella cioè che seguendo un particolare filone logico tra equazioni energetiche e tentativi di unificazione si possa delineare un macro-percorso nella storia della fisica contemporanea per comprendere dove andremo a parare in questo Ventunesimo secolo.
In conclusione, dopo le necessarie appendici per completare il quadro della fisica contemporanea, vi sarà spazio anche per delle domande ancora più generali circa il senso stesso della natura, dell’energia, della scienza e del linguaggio matematico adottato.
SISTEMA INTERNAZIONALE
––––––––