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L’interesse per la fisica a Catania

Oggi giorno, la fisica non ha più bisogno di faticare per dimostrare la sua preminenza tra le scienze esatte, nonché il preziosissimo apporto ad una vita più consapevole e meglio organizzata.

La curiosità, dal canto suo, completa l’aura dei fisici in quanto soggetti appassionati del vivere sulla terra, dell’universo intero e delle relazioni tra tutte le sue parti.

Le donne, oggi, sono più che mai invitate e bene accolte dagli ambienti di ricerca e dalle accademie universitarie che sviluppano progetti e percorsi di studio ad hoc.

Anche a Catania, cosi, le ragazze si fanno spazio con facilità nei dipartimenti “più intriganti” delle scienze esatte, come per esempio il Dipartimento di Fisica e Astronomia “Ettore Majorana”, che ha sede in Viale Andrea Doria. Esso rappresenta un polo di eccellenza, conta anche una sezione di astrofisica e annovera diversi progetti e collaborazioni interdisciplinari ed internazionali al suo attivo.

Dipartimento di Fisica e percorsi di studi in Fisica a Catania

Il Dipartimento di fisica catanese propone il Corso di laurea triennale in Fisica ed il Corso di Laurea Magistrale biennale in Physics (che si svolge in sola lingua inglese). Tra i diversi percorsi possibili per la laurea biennale, segnaliamo in particolare l’eccellente ed internazionale Nuclear Phenomena and their Applications.

Il Dipartimento, inoltre, prevede diversi percorsi dottorali:

• Dottorato di ricerca in Fisica
• Dottorato in Scienza dei materiali e nano-tecnologie
• Dottorato in Sistemi complessi per le scienze fisiche, socio-economiche e della vita

Ed ospita la Scuola di specializzazione in Fisica Medica.

Le pari opportunità fanno parte dei riferimenti valoriali del Dipartimento catanese di fisica ed astronomia.

La legge più famosa della fisica

Se cerchi un modo per suscitare interesse nei confronti della fisica in tuo figlio o nei tuoi studenti, se sei tu stesso un giovane che riflette all’eventualità di intraprendere studi fisico-chimici o matematici, ti consigliamo di fare un tuffo, di tanto in tanto, tra i principi più rilevanti formulati nel corso degli ultimi secoli dai principali scienziati.

Ad esempio, potresti cominciare dal rinomatissimo insieme di studi sulla relatività dello scienziato per definizione. Tra le leggi che tutti hanno sentito enunciare almeno una volta nella vita figura, in primis, la famigerata formulazione di Albert Einstein: E = mc².

Cosa si cela dietro queste lettere e questo notissimo esponente “2”?

Il principio alla base di questa formula consiste nella equivalenza tra massa ed energia. La materia è considerata energia cristallizzata. Il numerino “2”, invece, che figura come esponente, si riferisce ad un altro “pezzo grosso” della fisica: il famosissimo invariante che è la velocità della luce nel vuoto (ossia c che equivale infatti a 300.000 km/s).

Naturalmente, i principi formulati da Einstein, e oggetto dei suoi numerosi articoli scientifici che scossero la comunità scientifica ad ogni nuova uscita, sono meglio compresi se contestualizzati nell’insieme della formulazione ampia einsteiniana. Essa era volta, innanzitutto, a rivisitare la teoria della relatività di origine galileiana.

Parentesi su Galileo, per situare le posizioni della fisica attuale

Galileo Galilei, in affascinanti righe del suo Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, aveva spiegato in modo assai efficace il concetto di relatività del movimento, di cui Einstein fece notoriamente tesoro.

Aveva prospettato l’ipotesi di un viaggio sotto coperta in mare, compiuto insieme ad insetti ed altri animali ed animaletti, nonché da alcuni esseri umani. Se, con la nave ferma, era possibile ammirare il guizzo dei pesci nell’acquario, il volo delle farfalle ed ogni altra iniziativa ad opera della piccola fauna viaggiatrice apparivano differire in seguito alla partenza della nave. La nave, che si muove di un moto uniforme e non fluttuante, infatti, non sembra produrre alcun cambiamento nei movimenti compiuti dagli esseri osservati. Essi continuano a guizzare e svolazzare nello stesso identico modo di quando erano fermi. Stando sottocoperta non si percepisce affatto il moto uniforme e non fluttuante con cui la nave si sposta.

Ritorno ad Einstein

La famosissima formula di Einstein, paradossalmente, comparve in calce, quasi per un lampo di genio dell’ultimo minuto, in un articolo che Einstein stesso stava per dare alle stampe, dalla sua citta di Berna, dove lavorava come impiegato. L’articolo si intitolava “Zur Elektrodynamic bewegter Koerper” ed era destinato alla rivista Annalen der Physic.

Il nucleo dello scritto consiste nell’affermazione secondo la quale l’energia, per quanto ineffabile, può trasformarsi in materia e viceversa. La cosa ci appare oggi scontata ed e anche “relativamente” (!) semplice da afferrare.

Ovviamente, ben altre implicazioni assai farraginose corredano l’affermazione einsteiniana. Innanzitutto, va ricordato che almeno due sono gli scritti-chiave dello scienziato che possono illustrarci completamente la questione della relatività. Nel 1905, esce l’articolo sopracitato che illustra il concetto di relatività ristretta, mentre è del 1915-16 il secondo articolo, quello sulla relatività generale, dal titolo “Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie”, anche esso pubblicato sulla rivista già menzionata.

Relatività ristretta

La relatività ristretta teorizzata nel 1905 da Einstein parte dal presupposto che le leggi della fisica sono le stesse per degli osservatori non in movimento. Inoltre, la velocità della luce nel vuoto resta la stessa, a prescindere dalla velocità di spostamento di un osservatore.

La formula dell’energia, che esprime appunto la relazione tra massa ed energia, rientra nel quadro di questa formulazione.

In questo quadro, si capisce che più un oggetto sia avvicina alla velocità della luce, più la sua massa aumenta. Si muove, dunque, più velocemente, ma diventa più pesante. Se si riuscisse a far sì che l’oggetto raggiungesse davvero la velocità della luce, la sua massa diventerebbe infinita. Ma questo non è possibile, ovviamente.

La massa e l’energia, con questa prima formulazione circa la relatività, cessano di essere concepite come due entità distinte. Lo scienziato mostra che i principi di conservazione di massa ed energia appartengono ad un principio unico, che è quello della conservazione di massa-energia. Materia ed energia sono strettamente connesse. L’una può trasformarsi nell’altra e viceversa.

Secondo la teoria della relatività ristretta, nulla viaggerà mai più velocemente della luce. 

Relatività allargata

Come suggerisce lo stesso aggettivo, la teoria della relatività generale interpreta i fenomeni fisici in qualsiasi condizione di moto (accelerato, non uniforme e così via). Essa concerne, fra il resto, la forza di gravità, ossia tutti i fenomeni che coinvolgono l’attrazione gravitazionale (ad esempio i buchi neri).

La teoria ristretta, invece, tratta dei fenomeni fisici in condizioni di moto rettilineo uniforme. Essa parte dal presupposto che i nostri sensi tendono ad ingannarci più spesso di quanto non crediamo. Occorre, dunque, mantenere come saldo ciò che resta costante, cancellando simbolicamente tutto quanto dipenda solo dai punti di vista di ognuno.

Con la teoria della relatività generale, Einstein dimostra che il tempo e lo spazio sono correlati, in una condizione definita spazio-tempo. Tale condizione viene anche denominata “a quattro dimensioni”. Un evento che un determinato osservatore osserva ad un certo momento, potrebbe accadere, per altri osservatori in posizione diversa, in un altro frangente temporale. A tal proposito, assai suggestiva è la nozione di dilatazione temporale: il tempo, su un’astronave che si muove molto velocemente, scorre più lentamente che sulla terra.

Lavorando alla relatività generale, Einstein osserva qualcosa di assai interessante. Gli oggetti di grandi dimensioni sembrano produrre maggiori distorsioni dello spazio-tempo. Ciò si definisce gravità. I corpi celesti che costituiscono la cosiddetta Croce di Einstein, ad esempio, se osservati dalla terra, risultano essere sovrapposti. Ciò si lega al fatto che la galassia ed il quasar che essi costituiscono si trovano rispettivamente a 400 milioni e ad 8 miliardi di anni luce da noi. I nostri telescopi, insomma, ricevono contemporaneamente quattro immagini del quasar, per via della gravità intensa della galassia di fronte, la quale piega la sua luce in modo gravitazionale. Un fenomeno del genere viene detto lente gravitazionale dagli astronomi e lascia intuire la presenza di numerosi oggetti che invece non risultano visibili direttamente.

Secondo la teoria della relatività allargata, un corpo dotato di massa crea una distorsione - una curvatura - dello spazio-tempo. Ed è proprio questa che fa in modo che ogni oggetto che vi transita sia attratto dal corpo che l’ha generata.