Fisica moderna

Si definisce fisica moderna l'insieme degli sviluppi teorico-sperimentali che a partire dal XX secolo hanno segnato un salto concettuale rispetto alla fisica classica, elaborata a partire dal XVII secolo.

Mentre la fisica classica riguarda condizioni che si verificano nell'esperienza della vita di ogni giorno (velocità molto più basse della velocità della luce e scale molto più grandi di un atomo), la fisica moderna riguarda invece alte velocità e piccole distanze.

Comprende in particolare gli avanzamenti nella fisica atomica, fisica nucleare, fisica delle particelle, fisica della materia condensata, astrofisica e cosmologia. Queste discipline studiano dall'infinitamente piccolo all'infinitamente grande: dalle particelle e le interazioni fondamentali, alla struttura, nascita ed evoluzione dell'universo, passando per tutti quei fenomeni descrivibili solo con la meccanica quantistica. Tutte le teorie validate della fisica moderna comprendono al limite le teorie classiche.

StoriaModifica

Lo spartiacque tra le due fasi storiche è posto all'inizio del Novecento con la nascita della meccanica quantistica e della teoria della relatività, che permisero di spiegare fenomeni fisici come l'effetto fotoelettrico, il moto browniano, lo spettro del corpo nero, il modello dell'atomo di idrogeno, la diffrazione di Bragg, l'esperimento della doppia fenditura, la precessione del perielio dell'orbita di Mercurio ecc...

Dagli anni 60-70 del XX secolo, un'altra rivoluzione scientifica, quella della teoria del caos, ha riportato alla ribalta, o proprio fatto nascere, settori della fisica classica che hanno beneficiato grandemente dell'invenzione del computer. Grazie ai metodi della fisica computazionale si è potuto infatti finalmente iniziare ad analizzare il comportamento non lineare presente in un gran numero di sistemi fisici (fluidodinamica, geofisica, biofisica, fisica dei plasmi, meccanica celeste...), non investigabile con i metodi analitici tradizionali. Ciò significa che non è più possibile considerare la fisica classica come un settore di ricerca ormai chiuso, come invece sembrava per gran parte del '900.

Settori di studioModifica

Fisica atomicaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica atomica.
 
Modello di un atomo

La fisica atomica è la branca della fisica che studia l'atomo nella sua interezza ovvero comprendendo nucleo ed elettroni. Si tratta di un campo della fisica studiato all'inizio del XX secolo con la fornitura dei vari modelli atomici fino al modello attuale ritenuto più verosimile ovvero con nucleo interno ed elettroni esterni di tipo orbitale. Si tratta di un campo assestato già nella prima metà del XX secolo.

Fisica della materia condensataModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica della materia condensata.

La più ampia branca della fisica della materia condensata (comunemente detta fisica della materia) è la fisica dello stato solido e riguarda lo studio delle proprietà dei solidi, sia elettroniche, che meccaniche, ottiche e magnetiche.

Il grosso della ricerca teorica e sperimentale della fisica dello stato solido è focalizzato sui cristalli, sia a causa della loro caratteristica struttura atomica periodica, che ne facilita la modellizzazione matematica, che per il loro ampio utilizzo tecnologico. Con il termine stato solido in elettronica ci si riferisce in generale a tutti i dispositivi a semiconduttore. A differenza dei dispositivi elettromeccanici, quali ad esempio i relè, i dispositivi a stato solido non hanno parti meccaniche in movimento. Il termine è utilizzato anche per differenziare i dispositivi a semiconduttore dai primi dispositivi elettronici: le valvole e i diodi termoionici.

Il punto di partenza di gran parte della teoria nell'ambito della fisica dello stato solido è la formulazione di Schrödinger della meccanica quantistica non relativistica. La teoria si colloca generalmente all'interno dell'approssimazione di Born - Oppenheimer e dalla struttura periodica del reticolo cristallino si ricavano le condizioni periodiche di Born-von Karman e il Teorema di Bloch, che caratterizza la funzione d'onda nel cristallo. Le deviazioni dalla periodicità sono trattate ampiamente tramite approcci perturbativi o con altri metodi più innovativi, quali la rinormalizzazione degli stati elettronici. Appartiene alla fisica dello stato solido anche la fisica delle basse temperature la quale studia gli stati della materia a temperature prossime allo zero assoluto e i fenomeni ad essi connessi (ad es. condensato di Bose-Einstein, superconduttività ecc..).

Fisica nucleare e sub-nucleareModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica nucleare e subnucleare.

La fisica nucleare è la branca della fisica che studia il nucleo atomico nei suoi costituenti protoni e neutroni e le loro interazioni. Si distingue dalla fisica atomica che invece studia l'atomo, sistema composto dal nucleo atomico e dagli elettroni. Si distingue a sua volta dalla fisica delle particelle o fisica subnucleare che invece ha come oggetto lo studio delle particelle più piccole del nucleo atomico. La fisica delle particelle o subnucleare è stata per molto tempo considerata una branca della fisica nucleare. Il termine fisica subnucleare sta cadendo in disuso poiché si riferiva allo studio di particelle interne al nucleo, mentre oggi la maggior parte delle particelle note non sono costituenti nucleari.

L'energia nucleare è la più comune applicazione della fisica nucleare, ma il campo di ricerca è anche alla base di molte altre importanti applicazioni, come in medicina (medicina nucleare, risonanza magnetica nucleare), in scienza dei materiali (implantazioni ioniche) o archeologia (radiodatazione al carbonio).

Fisica delle particelle elementariModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica delle particelle elementari.

La fisica delle particelle è la branca della fisica che studia i costituenti fondamentali e le interazioni fondamentali della materia; essa rappresenta la fisica dell'infinitamente piccolo. Talvolta viene anche usata l'espressione fisica delle alte energie, quando si vuole far riferimento allo studio delle interazioni tra particelle elementari che si verificano ad altissima energia e che permettono di creare particelle non presenti in natura in condizioni ordinarie, come avviene con gli acceleratori di particelle.

In senso stretto, il termine particella non è del tutto corretto. Gli oggetti studiati dalla Fisica delle particelle, obbediscono ai principi della meccanica quantistica. Come tali, mostrano una dualità onda-corpuscolo, in base alla quale manifestano comportamenti da particella sotto determinate condizioni sperimentali e comportamenti da onda in altri. Teoricamente, non sono descritte né come onde né come particelle, ma come vettori di stato in un'astrazione chiamata spazio di Hilbert.

Fisica dei sistemi complessiModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Sistema complesso e Teoria della complessità.

È una branca relativamente recente della fisica moderna che studia appunto il comportamento fisico di sistemi complessi come ad esempio il sistema economico (econofisica) o il sistema climatico assunti come sistemi dinamici non lineari e a multicomponenti.

Fisica ciberneticaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Cibernetica.
 
Illustrazione dell'esperimento sulla relatività generale effettuato con l'ausilio della sonda Cassini.
 
Vista aerea del CERN di Ginevra

Questa branca della fisica (la fisica cibernetica), nata nella seconda metà del XX secolo, si è sviluppata a tal punto che è ora ricompresa all'interno di varie discipline tecnico-applicative quali l'automatica, la meccatronica e l'informatica (intelligenza artificiale).

Fisica medicaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Fisica medica.

La fisica medica o fisica sanitaria è un'attività che riguarda, in generale, tutti i settori della fisica applicata alla medicina e alla radioprotezione. Più in particolare, le strutture di fisica sanitaria ospedaliere si occupano, in prevalenza, dell'impiego delle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti (diagnostica per immagini, radioterapia, medicina nucleare, ...), ma anche di informatica, di modellistica, ecc.

BiofisicaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Biofisica.

La biofisica consiste nello studio dei fenomeni biologici dal punto di vista fisico. Si occupa, ad esempio, della dinamica ( e della termodinamica) delle macromolecole organiche (come proteine o acidi nucleici), o della fisica delle membrane cellulari. Uno dei principali problemi irrisolti della biofisica è, ad esempio, la comprensione del ripiegamento delle proteine.

AstrofisicaModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Astrofisica.

L'astrofisica è una scienza che applica la teoria e i metodi delle altre branche della fisica per studiare gli oggetti di cui è composto l'universo, quali ad esempio le stelle, i pianeti, le galassie e i buchi neri. L'astrofisica si differenzia dall'astronomia in quanto l'astronomia si pone come obiettivo la comprensione dei movimenti degli oggetti celesti, mentre l'astrofisica tenta di spiegare l'origine, l'evoluzione e il comportamento degli oggetti celesti stessi, rappresentando quindi la fisica dell'infinitamente grande. Un'altra disciplina con cui l'astrofisica è intimamente correlata è la cosmologia, che ha come oggetto di studio l'origine dell'universo. I telescopi spaziali (tra cui va ricordato il telescopio spaziale Hubble) sono strumenti indispensabili alle indagini dell'astrofisica: grazie ad essi gli astrofisici hanno trovato conferma di molte teorie sull'universo.

Centri di ricercaModifica

Il lavoro di ricerca scientifica nella fisica moderna è portato avanti dalla comunità scientifica attraverso il connubio tra l’elaborazione teorica e i risultati sperimentali. Settori come la fisica delle particelle o l'astrofisica tendono a essere sviluppati in grandi laboratori, a cui collaborano anche decine o centinaia di università (CERN, Fermilab, Laboratorio Cavendish, Brookhaven National Laboratory, Bell Laboratories, SLAC, Oak Ridge National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Institute for Advanced Study, Max Planck Institut, DESY, Istituto di fisica nucleare Budker, Sandia National Laboratories, Los Alamos National Laboratory, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Laboratori nazionali di Frascati, ELETTRA, ecc...), mentre gli esperimenti di fisica atomica, molecolare o della materia condensata, non richiedendo attrezzature così imponenti, tendono a essere portati avanti da gruppi di ricerca più piccoli all'interno delle singole università.

Principali teorieModifica

Voci correlateModifica

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