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Simmetria e leggi di
 conservazione in fisica


    Francesco Forti
INFN e Universit di Pisa
  Francesco.Forti@pi.infn.it
Tetraedro
 Fuoco
Esaedro
 Terra
Ottaedro
  Aria
Icosaedro
  Acqua
Dodecaedro
L universo
Johannes Keplero
  (1571  1630)
Leonardo da Vinci
  (1452  1519)
Scrittura allo specchio
Natura allo specchio
Natura allo specchio
Natura allo specchio
Natura allo specchio
Trasformazione
≒ Regola che associa in maniera univoca
   uno stato finale del sistema ad uno stato
   iniziale
≒ Da stati iniziali diversi si arriva a stati finali
   diversi
                ≒ Rotazioni
                ≒ Traslazioni
                ≒ Permutazioni
Rotazioni
Traslazioni
Permutazioni
Lettere        Palline
 tre
 ter
 rte
 ret
 etr
 ert
Gruppo
≒ Appicando due trasformazioni di
   seguito si ottiene un altra
   trasformazione (composizione)
≒ Esiste una trasformazione che
   non cambia niente (elemento
   neutro)
≒ Esiste una trasformazione che ci
   riporta indietro da dove eravamo   Evariste Galois
   venuti (inverso)                    1811  1832
Invarianza
≒ Un sistema 竪 invariante (simmetrico) rispetto ad
   un gruppo di trasformazioni se non cambia sotto
   l azione di queste trasformazioni
≒ Esempi di gruppi di trasformazioni
   Riflessione (specchio)
   Traslazioni reticolari
   Traslazioni temporali
   Rotazioni
   Trasformazione di scala
   Permutazioni
   Scambio colore
   ...
Maurits Cornelis Escher
     1898  1972
Natura allo specchio
Natura allo specchio
Natura allo specchio
Natura allo specchio
Johann Sebastian Bach
     1685  1750
Natura allo specchio
Natura allo specchio
Natura allo specchio
Amadeus Mozart
 1756  1791
Natura allo specchio
Uso delle simmetrie nella scienza
≒ Primo metodo:
   Studiare la simmetria delle leggi fisiche o del
     sistema sotto esame per trovare la soluzione
     del problema


≒ Principio di simmetria:
   la simmetria degli effetti 竪 almeno
     uguale a quella delle cause
                                           Pierre Curie
                                           1859  1906
Rottura spontanea della simmetria
  Matita che cade                  Dom狸ni magnetici




             Meccanismo di Higgs
Uso delle simmetrie nella scienza
≒ Secondo metodo:
   Postulare il significato fisico di certe simmetrie
     e dedurre da queste le leggi fisiche


≒ Eleganza e semplicit
   Le simmetrie postulate rispondono a criteri di
     eleganza e semplicit (ma servono a spiegare
     gli esperimenti)
I giganti delle simmetrie

≒ Galileo  principio di relativit
    Le leggi fisiche sono invarianti sotto
      trasformazioni tra sistemi di riferimento     Galileo Galilei
      in moto rettilineo uniforme                   1564  1642


≒ Einstein  relativit ristretta
    Principio di relativit di Galileo
    La velocit della luce 竪 la stessa in tutti
      i sistemi di riferimento

                                                    Albert Einstein
                                                     1879  1955
Simmetria e leggi di conservazione
≒ Teorema di Noether
    Ad ogni simmetria del sistema
      corrisponde una quantit
      conservata, e viceversa.
≒ Le leggi di conservazione non
   sono accidentali ma sono legate
   alla struttura stessa dello spazio
   e del tempo
                                           Emmy Noether
   Traslazione   Traslazione   Rotazione    1882  1935
   temporale     spaziale
   Energia       Quantit di   Momento
                 moto          angolare
Materia e antimateria
≒ Antimateria: il mondo a rovescio
    Ogni particella ha una
      corrispondente antiparticella, con la
      stessa massa, ma carica opposta
≒ Quale trasformazione trasforma
   la materia nell antimateria ?
    Specchio (parit, P)
    Inversione della carica elettrica
      (coniugazione di carica, C)
≒ Le leggi fisiche sono invarianti
   sotto questa trasformazione (e
   quindi si conserva la materia) ?
    No, l invarianza 竪 solo
      approssimata
Dov 竪 finita l antimateria ?
≒ Al momento del Big
   Bang, materia ed
   antimateria esistevano
   in quantit uguali
≒ Oggi, il mondo che
   conosciamo 竪 fatto di
   materia.
≒ ! ma questa 竪
   un altra storia!
Fonti
≒ H. Weyl, Symmetry , Princeton University
   Press, 1983
≒ J. Rosen, Symmetry discovered , Courier
   Dover Publications, 1998
≒ plato.stanford.edu/entries/symmetry-breaking
≒ L. Radicati di Brozolo, Simmetria e Invarianze ,
   in Enciclopedia del Novecento, Istituto della
   enciclopedia italiana, 1990
≒ D. Hofst辰dter, G旦del, Escher, Bach, un eterna
   ghirlanda brillante , Adelphi, 1988

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Natura allo specchio

  • 1. Simmetria e leggi di conservazione in fisica Francesco Forti INFN e Universit di Pisa Francesco.Forti@pi.infn.it
  • 7. Johannes Keplero (1571 1630)
  • 8. Leonardo da Vinci (1452 1519)
  • 14. Trasformazione ≒ Regola che associa in maniera univoca uno stato finale del sistema ad uno stato iniziale ≒ Da stati iniziali diversi si arriva a stati finali diversi ≒ Rotazioni ≒ Traslazioni ≒ Permutazioni
  • 17. Permutazioni Lettere Palline tre ter rte ret etr ert
  • 18. Gruppo ≒ Appicando due trasformazioni di seguito si ottiene un altra trasformazione (composizione) ≒ Esiste una trasformazione che non cambia niente (elemento neutro) ≒ Esiste una trasformazione che ci riporta indietro da dove eravamo Evariste Galois venuti (inverso) 1811 1832
  • 19. Invarianza ≒ Un sistema 竪 invariante (simmetrico) rispetto ad un gruppo di trasformazioni se non cambia sotto l azione di queste trasformazioni ≒ Esempi di gruppi di trasformazioni Riflessione (specchio) Traslazioni reticolari Traslazioni temporali Rotazioni Trasformazione di scala Permutazioni Scambio colore ...
  • 31. Uso delle simmetrie nella scienza ≒ Primo metodo: Studiare la simmetria delle leggi fisiche o del sistema sotto esame per trovare la soluzione del problema ≒ Principio di simmetria: la simmetria degli effetti 竪 almeno uguale a quella delle cause Pierre Curie 1859 1906
  • 32. Rottura spontanea della simmetria Matita che cade Dom狸ni magnetici Meccanismo di Higgs
  • 33. Uso delle simmetrie nella scienza ≒ Secondo metodo: Postulare il significato fisico di certe simmetrie e dedurre da queste le leggi fisiche ≒ Eleganza e semplicit Le simmetrie postulate rispondono a criteri di eleganza e semplicit (ma servono a spiegare gli esperimenti)
  • 34. I giganti delle simmetrie ≒ Galileo principio di relativit Le leggi fisiche sono invarianti sotto trasformazioni tra sistemi di riferimento Galileo Galilei in moto rettilineo uniforme 1564 1642 ≒ Einstein relativit ristretta Principio di relativit di Galileo La velocit della luce 竪 la stessa in tutti i sistemi di riferimento Albert Einstein 1879 1955
  • 35. Simmetria e leggi di conservazione ≒ Teorema di Noether Ad ogni simmetria del sistema corrisponde una quantit conservata, e viceversa. ≒ Le leggi di conservazione non sono accidentali ma sono legate alla struttura stessa dello spazio e del tempo Emmy Noether Traslazione Traslazione Rotazione 1882 1935 temporale spaziale Energia Quantit di Momento moto angolare
  • 36. Materia e antimateria ≒ Antimateria: il mondo a rovescio Ogni particella ha una corrispondente antiparticella, con la stessa massa, ma carica opposta ≒ Quale trasformazione trasforma la materia nell antimateria ? Specchio (parit, P) Inversione della carica elettrica (coniugazione di carica, C) ≒ Le leggi fisiche sono invarianti sotto questa trasformazione (e quindi si conserva la materia) ? No, l invarianza 竪 solo approssimata
  • 37. Dov 竪 finita l antimateria ? ≒ Al momento del Big Bang, materia ed antimateria esistevano in quantit uguali ≒ Oggi, il mondo che conosciamo 竪 fatto di materia. ≒ ! ma questa 竪 un altra storia!
  • 38. Fonti ≒ H. Weyl, Symmetry , Princeton University Press, 1983 ≒ J. Rosen, Symmetry discovered , Courier Dover Publications, 1998 ≒ plato.stanford.edu/entries/symmetry-breaking ≒ L. Radicati di Brozolo, Simmetria e Invarianze , in Enciclopedia del Novecento, Istituto della enciclopedia italiana, 1990 ≒ D. Hofst辰dter, G旦del, Escher, Bach, un eterna ghirlanda brillante , Adelphi, 1988