Da sempre la simmetria ha giocato un ruolo fondamentale nello svilppo dei fenomeni naturali e nel modo in cui l'uomo li descrive. Molti corpi che ci circondano sono simmetrici, cio竪 non cambiano sotto una certa trasformazione geometrica, come una traslazione, una riflessione, una rotazione. Ad esempio il corpo umano e molti degli organismi superiori possiedono una simmetria bilaterale mentre i fiocchi di neve ed le sostanze cristalline come il diamante possiedono simmetrie di rotazione. L'uomo ha da sempre percepito la bellezza della simmetria e ne ha ripetuto le forme nell'arte, nell'architettura, nella musica. Fin dai tempi antichi la filosofia e la scienza hanno riconosciuto nella simmetria un elemento essenziale per la descrizione dei fenomeni naturali, fino a diventare, con Galileo prima e Einstein successivamente, base fondante della nostra comprensione della realt, principio fondamentale piuttosto che conseguenza accidentale. L'invarianza perde in questo caso la caratteristica meramente geometrica, e si estende a descrivere l'equivalenza di differenti sistemi di riferimento per quanto riguarda la descrizione dei fenomeni naturale. Galileo la usa per dedurre l'impossibilit di dimostrare che la terra 竪 al centro dell'universo; Einstein, per rivoluzionare la nostra concezione del mondo con la sua teoria della relativit. Ma forse il significato pi湛 profondo dell'invarianza viene reso esplicito da Emmy Noether, che dimostra come ad ogni simmetria corrisponda direttamente una quantit conservata, cio竪 che non varia nel tempo. In fondo le leggi fisiche che conosciamo derivano in qualche modo da un principio di simmetria.
In questa conferenza, destinata ad un pubblico di non specialisti curiosi di scienza, percorrer嘆 a grandi passi la storia della simmetria, dalle sue realizzazioni nella natura, nell'architettura, e nella musica, al suo ruolo come principio ispiratore dello sviluppo scientifico, e come base fondante della nostra descrizione moderna del mondo fisico.
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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
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
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
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