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Verso la gravita quantistica
Alberto Za↵aroni
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 2 / 1
I trionfi della Fisica del XX secolo
Spiegano gli strani comportamenti della materia in regimi lontani dalla vitadi ogni giorno
I Relativita Ristretta (1905)
I Relativita Generale (1915)
I Meccanica Quantistica (⇠ 1925)
grandi velocita
grandi masse
piccole distanze
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 3 / 1
La relativita ristretta
Ad alta velocita gli orologi rallentano e le distanze si accorciano
I esiste una velocita massima,quella della luce c
I massa ed energia possonotrasformarsi una nell’altra
E = mc2
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 4 / 1
La relativita generale
Massa e energia curvano lo spazio-tempo
I esistono black holes
I l’universo si espande
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 5 / 1
La meccanica quantistica
Le leggi della fisica non sono deterministiche nel mondo microscopico
I dualismo onde-particelle
I quanti d’energia
E = h⌫
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 6 / 1
I trionfi della Fisica del XX secolo
Come si combinano i regimi? alcuni naturalmente
I Relativita Ristretta (1905)
I Relativita Generale (1915)
I Meccanica Quantistica (⇠ 1925)
grandi velocita
grandi masse
piccole distanze
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 7 / 1
I trionfi della Fisica del XX secolo
Come si combinano i regimi? altri con grandi sorprese
I Relativita Ristretta (1905)
I Relativita Generale (1915)
I Meccanica Quantistica (⇠ 1925)
grandi velocita
grandi masse
piccole distanze
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 8 / 1
I trionfi della Fisica del XX secolo
Infatti un altro trionfo della fisica del XX secolo (e inizio XXI) si ottienespiegando cosa succede combinando infinitamente piccolo e estremamenteveloce.
I Teoria Quantistica dei Campi - Dirac predice (⇠ 1930):
I antimateria
I le particelle si possono creare e distruggere
antimateria
creazione di coppie
i fotoni medianole interazioni
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 9 / 1
I trionfi della Fisica del XX secolo
Infatti un altro trionfo della fisica del XX secolo (e inizio XXI) si ottienespiegando cosa succede combinando infinitamente piccolo e estremamenteveloce.
I Teoria Quantistica dei Campi - Dirac predice (⇠ 1930):
I antimateria
I le particelle si possono creare e distruggere
antimateria
creazione di coppie
i fotoni medianole interazioni
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 9 / 1
I trionfi della Fisica del XX secolo
I Modello Standard (1970).Predice:
I bosoni Z e W (1983)
I top quark (1995)
I il bosone di Higgs (2012)
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 10 / 1
La gravita quantistica
Il regime che manca e il di�cile problema della Gravita Quantistica
I Relativita Ristretta (1905)
I Relativita Generale (1915)
I Meccanica Quantistica (⇠ 1925)
grandi velocita
grandi masse ?
piccole distanze ?
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 11 / 1
La gravita quantistica
Il regno dell’infinitamente piccolo e molto pesante
I di↵usione ad alte energie
I quel che accade dentro unblack holes
I i primi istanti dell’universo
.
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 12 / 1
Giocando con le unita di misura
Misurare tutto con la stessa unita di misura (ad esempio l’energia) si puo.
I tempo = ~energia
I distanza =c⇥ tempo
I unita naturali c = ~ = 1
I massa protone mp ⇠ 1 GeV
I la mia massa 1029 GeV
I energia LHC ⇠ 10000 GeV
usando l’eV e i suoi multipli: keV, MeV, GeV, . . .
1eV ⇠ 10�36
kg 1eV�1 ⇠ 6⇥ 10�16s
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 13 / 1
Giocando con le unita di misura
Misurare tutto con la stessa unita di misura (ad esempio l’energia) si puo.
I tempo = ~energia
I distanza =c⇥ tempo
I unita naturali c = ~ = 1
I massa protone mp ⇠ 1 GeV
I la mia massa 1029 GeV
I energia LHC ⇠ 10000 GeV
usando l’eV e i suoi multipli: keV, MeV, GeV, . . .
1eV ⇠ 10�36
kg 1eV�1 ⇠ 6⇥ 10�16s
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 13 / 1
Giocando con le unita di misura
Confrontando la forza elettrostatica e gravitazionale tra due elettroni
e� e� e�e�
r r
F electric = q21
r2F grav = GN
m2
e
r2
q2 ⇠ 1
137
numero puro
GN = l2P = 1/M2
P
PlanckmassMP ⇠ 1019 GeV
Planck length lP ⇠ 10�33 cm
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 14 / 1
E↵etti quantistici della gravita
La fisica quantistica predice la probabilita del risultato di un esperimento
Probabilita = | ampiezza |2
di↵usioneeletromagnetica
.
ampiezza ⇠ q2 = 1
137
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 15 / 1
E↵etti quantistici della gravita
La fisica quantistica predice la probabilita del risultato di un esperimento
Probabilita = | ampiezza |2
di↵usioneeletromagnetica
.
ampiezza ⇠ q2 = 1
137
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 16 / 1
E↵etti quantistici della gravita
La fisica quantistica predice la probabilita del risultato di un esperimento
Probabilita = | ampiezza |2
di↵usionegravitazionale
. ampiezza ⇠ GNE 2
piccola per energie comuni
maggiore di uno per E � 1019 GeV
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 17 / 1
E↵etti quantistici della gravita
La fisica quantistica predice la probabilita del risultato di un esperimento
Probabilita = | ampiezza |2
di↵usionegravitazionale
.ampiezza ⇠ GNE 2
piccola per energie comuni
maggiore di uno per E � 1019 GeV
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 18 / 1
E↵etti quantistici della gravita
Si parla in questo senso di contraddizione tra relativita generale e meccanicaquantistica.
Quando l’avremo risolta:
I una nuova fisica
I che laboratorio abbiamo per studiarla?
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 19 / 1
Di↵usione ad alta energia
Piccolo e molto energetico
di↵usione ad alte energie
Produzione di buchi neri microscopici. A LHC?
1019GeV � 104GeV
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 20 / 1
Di↵usione ad alta energia
Piccolo e molto energetico
di↵usione ad alte energie
Produzione di buchi neri microscopici. A LHC?
Teorie alternative(extra-dimensions,. . .) liprevedono.
Qualche sprovvedutopensa che siano pericolosi
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 21 / 1
Di↵usione ad alta energia
Piccolo e molto energetico
di↵usione ad alte energie
Produzione di buchi neri microscopici. A LHC?
Teorie alternative(extra-dimensions,. . .) liprevedono.
Qualche sprovvedutopensa che siano pericolosi
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 21 / 1
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 22 / 1
Buchi Neri
Piccolo e molto massivo
Il destino di oggetti moltomassivi
Una grande massa in pocospazio
Grande curvatura
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 23 / 1
Buchi Neri
Un favoloso laboratorio di idee, dove le contraddizioni tra RG e MQ sono piuevidenti
Radiazione di Hawking (1970)
i buchi neri emettono radiazione
i buchi neri evaporano
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 24 / 1
Buchi Neri
Un favoloso laboratorio di idee, dove le contraddizioni tra RG e MQ sono piuevidenti:
Radiazione di tipo termico
i buchi neri hanno un’entropia?
hanno una struttura atomica?
leggi dei buchi neri = leggi della termodinamica
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 25 / 1
Buchi Neri
Un favoloso laboratorio di idee, dove le contraddizioni tra RG e MQ sono piuevidenti
Paradosso dell’informazione
i buchi neri evaporano
perdita dell’informazione di cioche cade dentro
contrario alle leggi della Meccanica Quantistica (unitarieta)
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 26 / 1
Il Big Bang
Piccolo e molto massivo: l’inizio dell’universo
All’indietro nel tempo
Una grande massa inpoco spazio
Altissime energie
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 27 / 1
Il Big Bang
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 28 / 1
La radiazione di fondo
I una fotografia dell’universo 400000 anni dopo il Big Bang
I piccole fluttuazioni quantistiche primordiali
I possiamo spingere l’orologio ancora piu indietro?
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 29 / 1
Verso la gravita quantistica
E cosa scopriremo in questi regimi? Le teorie piu accreditate
I Lo spazio-tempo e granulare? [Loop Quantum Gravity]
I Gli oggetti fondamentali sono piccole corde? [Teoria delle Stringhe]
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 30 / 1
Verso la gravita quantistica
In ogni caso
Qualcosa di totalmente nuovo
Alberto Za↵aroni (Milano-Bicocca) Verso la gravita quantistica Novembre 2015 31 / 1