Space, Time Quanta - Mills

  • Robert Mills - SPACE, TIME AND QUANTA. An introduction to contemporary physics - 1° ed. 1994

La svolta fortunata nella vita di Robert Lawrence Mills è arrivata nel 1954 a 27 anni, quando stava terminando il PhD in fisica teorica alla Columbia University di New York. Ottenuto un posticino per finire la tesi al Brookhaven National Lab, a Long Island, lo misero in una stanzetta con due scrivanie insieme ad un giovane cinese di 32 anni, ex allievo ed assistente prediletto di Enrico Fermi a Chicago, Chen-Ning Yang. Subito i due si tuffarono a lavorare insieme sulla possibilità di estendere alle interazioni tra particelle elementari una proprietà delle equazioni di Maxwell, e della QED, nota come invarianza locale “di gauge”, proposta per la prima volta 40 anni prima dal geniale fisico matematico tedesco Hermann Weyl (vedi ad es. “Space Time Matter”). Pochi mesi dopo (ottobre) usciva su Physical Review l’articolo di Yang e Mills in cui proponevano le teorie quantistiche di campo con invarianza di gauge non commutativa (in cui il risultato dipende dall’ordine delle trasformazioni di simmetria), uno dei mattoni principali del modello standard delle particelle elementari, delle interazioni fondamentali, e della fisica moderna delle alte energie. Tre anni dopo Yang vola a Stoccolma per ricevere il premio Nobel per la Fisica, per la scoperta della non conservazione della parità nelle interazioni deboli (più o meno in parole semplici “il mondo microscopico è diverso se riflesso attraverso uno specchio”), proposta in collaborazione con il connazionale Tsung Dao Lee, e subito verificata nello spettacolare esperimento di Chien-shiung Wu (“madame Wu”), anche lei cinese.



Molti anni dopo, alla fine degli anni ottanta, il prof. Mills, emerito di fisica teorica all’Ohio State University, accettò un’altra sfida, un esperimento didattico. Spiegare la fisica moderna a chi non aveva mai seguito prima un vero corso di fisica: matricole del college, neo-diplomati appena usciti dal liceo. L’idea di fondo era che i giovani motivati ed affascinati dall’aver visto le scoperte più avanzate nei campi più in rapido progresso si sarebbero iscritti in massa alle facoltà scientifiche, e si sarebbero impegnati con maggiore entusiasmo nei corsi tradizionali dei primi anni (fisica generale, meccanica, termodinamica, elettromagnetismo, onde,…) dopo aver visto dove potevano arrivare alle frontiere della ricerca. Mills divise il corso del primo semestre in tre minicorsi: I. Relatività (speciale e generale, con una spruzzata di fisica classica e statistica) II. Meccanica Quantistica III. Particelle e Campi di Forza Lo scienziato preparò il materiale supponendo che gli studenti conoscessero abbastanza bene la matematica del liceo (algebra, geometria analitica, trigonometria,..), un pò di derivate ed integrali, ma nulla di più. Anzi incluse un rapido ripasso di tutti i prerequisiti necessari. I primi due brevi corsi sono rivisti e pubblicati in questo volume. Per il terzo una volta si potevano chiedere le dispende direttamente all’autore, e girano in Internet ma non sono ancora riuscito a trovarle. Come già accennato è un libro diviso in due parti:

Parte I SPAZIO E TEMPO

  1. La Terra è ferma?
  2. Orologi, metri ed il limite di velocità universale
  3. Muoversi intorno nello spaziotempo
  4. Dinamica, impulso e forza
  5. Energia
  6. Gravità e curvatura dello spaziotempo
  7. La forma dell’Universo
  8. La direzione del tempo?
  9. Termodinamica

Parte II FISICA QUANTISTICA
10. Lo strano comportamento di onde e particelle 11. Le onde 12. L’atomo con un solo elettrone (idrogeno) 13. Principi storici (corrispondenza, incertezza, complementarità, sovrapposizione) 14. L’equazione d’onda di Schrodinger 15. Il ruolo dell’osservatore 16. Fotoni

APPENDICI

  • A. Note di Matematica: Trigonometria, vettori, geometria analitica, derivate, integrali, approssimazioni, numeri complessi.
  • B. La meccanica di Newton
  • C. Informazioni varie: Alfabeto greco, unità di misura, costanti fisiche, dati astronomici.

A questo livello c’è ben poco a disposizione in biblioteca o libreria: chiaro, autorevole, profondo ed accessibile anche ai non specialisti, a chi non ha seguito corsi universitari di Fisica.
Per la relatività ad es. i due volumi di Taylor e Wheeler (“Spacetime physics”, “Exploring Blackholes”), quello di George Ellis (“Flat and curved spacetimes”).
Per la Meccanica Quantistica un’introduzione di livello comparabile è quella contenuta nella parte finale di “Fundamentals of Physics II” di Shankar, ma presuppone che il lettore abbia studiato tutto il corso di fisica generale. Come del resto l’introduzione di Feynman nel III vol. delle “Feynman’s Lectures on Physics”.
Un’introduzione diversa e complementare, è quella di Susskind nel secondo volume “Meccanica Quantistica” della serie “Il minimo teorico”, che si concentra più sui qubit e sulle matrici che sulla funzione d’onda come Mills.
A livello più divulgativo, ma neanche tanto, ci sono i due bellissimi volumi di Sean Carroll della serie “Biggest Idea in the Universe”.
Il volume nuovo è abbastanza costoso, e magari anche fuori stampa, si può consultare in biblioteca, prendere d’occasione tra gli invenduti in libreria, le offerte di usato online (la strada che ho seguito).