DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
ALL' INFINITAMENTE GRANDE
PERCORSO DI DIVULGAZIONE SCIENTIFICA
PER SPIEGARE IN MODO ELEMENTARE ED
ACCESSIBILE A TUTTI COM' E' FATTO E COME
FUNZIONA IL MONDO FISICO
DAI QUARK AL DNA,
DALLE STELLE ALLE GALASSIE,
DAL BIG BANG ALL' UNIVERSO ATTUALE ED OLTRE
RELATORE: PROF. ANTONINO CUCINOTTA
DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
ALL' INFINITAMENTE GRANDE
I
INTRODUZIONE ALLA STRUTTURA ATOMICA
DELLA MATERIA:
DAGLI ATOMI DI LEUCIPPO E DEMOCRITO
ALLA TEORIA ATOMICA DI
DALTON, AVOGADRO E CANNIZZARO
FONDATORI DELLA CHIMICA MODERNA
CALCOLI IN NOTAZIONE
SCIENTIFICA
MULTIPLI
10 = 10 1
100 = 10 x 10 = 102
1000 = 10 x 10 x 10 = 103 = Kilo, K
10000 = 10 x 10 x 10 x 10 = 104
100000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 105
1000000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 106 = Mega, M = 1000 K
10000000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 107
100000000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 109 = Giga, G = 1000 M
100000000 = 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 x 10 = 109 = Tera, T = 1000 G
Sottomultipli
0,1 = 1/10 = 10-1 , deci , d
0,01 = 1/100 = 10-2 ,centi, c
0,001 = 1/1000 = 10-3 ,milli, m
0,000001 = 1/1000000 = 10-6 ,micro, μ
0,000000001 = 1/1000000000 = 10-9 ,nano, n
0,000000000001 = 1/1000000000000 = 10-12 , pico, p
0,000000000000001 = 1/1000000000000000 = 10-15 ,
femto,f
ESEMPI
5 x 104 x 8 x10 -3 = 40 x 10(4 - 3) = 40 x 10 = 400
45,7 x 10-12 : 7,4 x 10-15 ≈ 6,175 x 10(-12 + 15) =
= 6,175 x 103
ESEMPI
CALCOLO DEL TEMPO T IMPIEGATO DALLA LUCE
SOLARE PER RAGGIUNGERE LA TERRA
d: distanza media Terra-Sole = 150000000 Km =
c: velocità della luce nel vuoto = 300000 km/s
T = d/c = 150 x 106 / 3 x 105 = 50 x 10(6-5) secondi =
=500 s = 500/60 minuti ≈ 8,33 minuti
ESEMPI
1 ANNO LUCE (A. L.) =
= 300000 Km/s x 3600 x 24 x 365 =
= 3 x 105 x 86400 x 365 = 3 x 105 x 8,64 x 104 x 3,65 x 102 Km
=
= 3 x 8,64 x 3,65 x 10 (5 + 4 + 2) Km ≈ 94,608 x 10 11 Km =
= 9,4608 x 1012 Km = 9460,8 x 109 Km = 9460,8 miliardi di Km
ESEMPI
CARICA DELL' ELETTRONE e = 1,6 x 10-19 C
(Coulomb)
Un ferro da stiro da 2000 W assorbe ,alimentato a 230 V,
una corrente con intensità I = 2000/230 ≈ 8,695 A
(Ampere) = 8,695 Coulomb/s, che equivale allo
spostamento lungo il filo di 8,695 : 1,6 x 10-19 ≈
≈ 54,343 x 1018 elettroni/secondo.
La corrente di 1 A = 1 Coulomb/secondo equivale allo
spostamento di 1/1,6 x 10-19 ≈ 6,25 x 1018
elettroni/secondo
ESEMPI
MASSA DEL PROTONE : Mp = 1,673 x 10-27 Kg
MASSA DELL' ELETTRONE Me = 0,91 x 10-30 Kg
IL PROTONE HA UNA MASSA
Mp/Me = 1,673 x 10-27/ 0,91 x 10-30 ≈ 1,838 x 103 =
= 1838 VOLTE MAGGIORE DI QUELLA
DELL' ELETTRONE
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LEUCIPPO DI MILETO
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DEMOCRITO DI ABDERA
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L' ANTICA GRECIA
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JOHN DALTON
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AMEDEO AVOGADRO
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STANISLAO CANNIZZARO
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DIMITRI MENDELEEV
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LA TAVOLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI
(DI MENDELEEV)
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WILLIAM CROOKES
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TUBI DI CROOKES
(SCARICA ELETTRICA IN UN GAS RAREFATTO)
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TUBO A RAGGI CATODICI
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HEINRICH HERTZ NEL 1886 GENERA E RIVELA A BREVE
DISTANZA LE ONDE ELETTROMAGNETICHE PREVISTE
TEORICAMENTE DA MAXWELL
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ONDE ELETTROMAGNETICHE
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SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE
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SPETTRO DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE
RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLA
LUCE
LA DISPERSIONE DELLA LUCE
ATTRAVERSO UN PRISMA
SINTESI DELLA LUCE BIANCA
CON IL DISCO DI NEWTON
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DIFFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE
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WIHLELM CONRAD ROENTGEN SCOPRE
I RAGGI X (1895)
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MODERNO TUBO A RAGGI X (DI COOLIDGE)
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HENRY BECQUEREL SCOPRE LA RADIOATTIVITA'
DEI SALI D'URANIO (1896)
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I CONIUGI CURIE SCOPRONO IL POLONIO
ED IL RADIO (1898 - 1902).
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JOSEPH THOMSON SCOPRE L' ELETTRONE
(1897)
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II
MATERIA E RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
I PIONIERI DELLA FISICA DEL XX SECOLO
MAX PLANCK SPIEGA LO SPETTRO DEL CORPO NERO
ENUNCIANDO IL PRINCIPIO DI
QUANTIZZAZIONE DELL 'ENERGIA (1900)
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FRANUNHOFER INVENTA IL
RETICOLO DI DIFFRAZIONE (1814)
E STUDIA LO SPETTRO SOLARE
SPETTRO DI ASSORBIMENTO
SOLARE
SPETTRI DI EMISSIONE E DI
ASSORBIMENTO DEL SODIO
I RAGGI ULTRAVIOLETTI :
UVA, UVB, UVC
KIRCHHOFF E BUNSEN INVENTANO
LO SPETTROSCOPIO (1859)
SPETTROSCOPIO
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ALBERT EINSTEIN SPIEGA L' EFFETTO FOTOELETTRICO
CON L' IPOTESI DEI FOTONI (1905)
(QUANTI DI ENERGIA ELETTROMAGNETICA)
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ATOMO DI THOMSON
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ERNEST RUTHERFORD SCOPRE IL NUCLEO
ATOMICO (1911)
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DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
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NIELS BOHR ELABORA LA TEORIA QUANTISTICA
DELL' ATOMO DI IDROGENO (1913)
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ISOTOPI
ISOTOPI
IDROGENO H11
Z=1 ,N=0 ,A=1
DEUTERIO D o H12
Z=1, N=1,A=2
TRIZIO
T o H13
Z=1, N=2,A=3
LITIO
Li 3 7
Z = 3, N = 4 , A = 7
BORO B5 10
Z = 5, N = 5 , A = 10
CARBONIO 12 C612
Z = 6, N = 6 , A = 12
CARBONIO 14
C6 14
Z = 6, N = 8 , A = 14
ARGENTO
Ag 79197
Z = 47, N = 60 , A = 197
FERRO Fe2656
Z = 26, N = 30 , A = 56
URANIO 234 U (0,0057 %)
U92234
Z = 92, N = 142 , A = 234,
URANIO 235 U (0,7204 %)
U92235
Z = 92, N = 143 , A = 235,
URANIO 238 U (99,273 %)
Z = 92, N = 146 , A = 238,
U92238
IODIO 127 (STABILE)
I53127
Z = 53, N = 74 , A = 127,
IODIO 131 (RADIOATTIVO)
Z = 53, N = 78 , A = 131
I53131
ASTON INVENTA LO
SPETTROMETRO DI MASSA (1920)
SPETTROMETRO DI MASSA PER LA
RIVELAZIONE DEGLI ISOTOPI
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LA STRUTTURA ATOMICA DELLA MATERIA
ATOMO DI CARBONIO
ATOMO DI CLORO
ATOMO DI SODIO
ATOMO DI ALLUMINIO
ATOMO DI RAME
ATOMO DI URANIO
ATOMO AL MICROSCOPIO
ELETTRONICO
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WILLIAM HENRY BRAGG E WILLIAM LAWRENCE BRAGG
SCOPRONO LA STRUTTURA CRISTALLINA DELLA MATERIA
CON ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X (1913)
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ESPERIMENTI DI DIFFRAZIONE DI RAGGI X
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STRUTTURA CRISTALLINA
DEL CLORURO DI SODIO
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STRUTTURA CRISTALLINA
DEL DIAMANTE E DELLA GRAFITE
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CRISTALLI DI DIAMANTE E DI GRAFITE
LA SCOPERTA DEL DNA (1953)
ROSALINDE FRANKLIN, WATSON E CRICK
LA STRUTTURA A DOPPIA ELICA DEL
DNA
MODELLO DELLA STRUTTURA DEL
DNA
IL PRIMO DIFFRATTOGRAMMA A
RAGGI X DEL DNA
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ARTHUR COMPTON
CONFERMA SPERIMENTALMENTE L' IPOTESI DEI
FOTONI DI EINSTEIN (1922)
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L' EFFETTO COMPTON CONFERMA
L' ESISTENZA DEI FOTONI DI EINSTEIN
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LOUIS DE BROGLIE FORMULA L' IPOTESI
ONDULATORIA DELLA MATERIA (1924)
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ERWIN SCHROEDINGER ELABORA LA MECCANICA
ONDULATORIA (MECCANICA QUANTISTICA)
(1925)
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WOLFGANG PAULI
ENUNCIA IL PRINCIPIO DI ESCLUSIONE (1925) CONSENTENDO DI
SPIEGARE QUANTISTICAMENTE LA STRUTTURA ATOMICA
DELLA MATERIA E LA TAVOLA PERIODICA DI MENDELEEV
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WERNER HEISENBERG ENUNCIA
IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE (1927)
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DAVISSON E GERMER VERIFICANO IL COMPORTAMENTO
ONDULATORIO DELLA MATERIA CONFERMANDO
L' IPOTESI DI DE BROGLIE (1927)
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DIFFRAZIONE DI ELETTRONI E
DIFFRAZIONE DI RAGGI X
ATTRAVERSO LAMINE D' ORO
LE COSTANTI UNIVERSALI
c = 300000 km/s = 3 x 108 m/s - velocità della luce nel vuoto
G = 6,67 x 10-11 N x m2 /kg2 - costante di gravitazione universale
h = 6,63 x 10-34 J s - costante di Planck o quanto d'azione
e = 1,6 x 10-19 C - carica dell' elettrone (e del protone)
No = 6,0221412 x1023
molecole/mole - numero di Avogadro
LE LEGGI QUANTISTICHE
FONDAMENTALI
ENERGIA DI UN FOTONE (EINSTEIN - 1905)
e = hn
LUNGHEZZA D' ONDA ASSOCIATA AD UNA
PARTICELLA (DE BROGLIE - 1924)
l = h /p
p = M v quantità di moto della particella
(M massa, v velocità)
LE LEGGI QUANTISTICHE
FONDAMENTALI
PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE
(MAX BORN - WERNER HEISENBERG - 1927)
Δ p x Δx ≥ h/(2π)
Δ p incertezzza nella misura della quantità di moto p
Δ x incertezza nella misura della posizione x
Δ E x Δt ≥ h/(2π)
Δ E incertezza nella misura dell' energia
Δ t durata della misura
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PAUL DIRAC APPLICANDO LA TEORIA DELLA RELATIVITA'
SPECIALE DI EINSTEIN ALLA MECCANICA QUANTISTICA
PREVEDE L'ESISTENZA DELL' ANTIMATERIA (1928)
DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
ALL' INFINITAMENTE GRANDE
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ALL' INFINITAMENTE GRANDE
JAMES CHADWICK SCOPRE IL NEUTRONE (1932)
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ENRICO FERMI CON I “RAGAZZI” DI VIA PANISPERNA
(SCUOLA DI FISICA DI ROMA - 1934)
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ETTORE MAJORANA NEL 1933 ELABORA, PRIMA
DI HEISENBERG, LA TEORIA DELLE FORZE
NUCLEARI
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LA SCOPERTA DEI RAGGI COSMICI
(VICTOR HESS - 1912)
DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
ALL' INFINITAMENTE GRANDE
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ALL' INFINITAMENTE GRANDE
DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
ALL' INFINITAMENTE GRANDE
DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
ALL' INFINITAMENTE GRANDE
III
LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI
DELL' UNIVERSO
DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
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LE TRE GENERAZIONI DI PARTICELLE
FONDAMENTALI DEL MODELLO STANDARD:
QUARK
PRIMA GEN.
SU, GIU'
SECONDA GEN.
STRANO, INCANTATO
TERZA GEN.
ALTO, BASSO
LEPTONI
ELETTRONE
MUONE
TAUONE
NEUTRINO
ELETTRONICO
NEUTRINO
MUONICO
NEUTRINO
TAUONICO
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LO SCAMBIO DI UN GLUONE GENERA LA FORZA FORTE
(FORZA DI COLORE) TRA DUE QUARK
LO SCAMBIO DI UN FOTONE GENERA LA FORZA
ELETTROMAGNETICA TRA DUE PARTICELLE CARICHE
LO SCAMBIO DEI BOSONI VETTORI DI RUBBIA (W+,W-, Z°)
GENERA LA FORZA DEBOLE (FORZA DI CAMBIAMENTO DI
SAPORE) TRA DUE QUARK O TRA DUE LEPTONI
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LE TRE GENERAZIONI DI PARTICELLE
DEL MODELLO STANDARD
UNITA' DI MISURA DELL'ENERGIA
IN FISICA ATOMICA E NUCLEARE
1 eV (ELETTRONVOLT) = 1,6 x 10-19 J (Joule)
1 JOULE EQUIVALE ALL' ENERGIA CINETICA
ACQUISITA DA UNA MASSA DI CIRCA 102
GRAMMI IN CADUTA LIBERA DALL' ALTEZZA DI
1 METRO.
1 eV EQUIVALE ALL' ENERGIA CINETICA
ACQUISITA DA UN CORPO DOTATO DI UNA
CARICA DI 1,6 x 10-19 COULOMB SOTTOPOSTO
ALLA TENSIONE ACCELERATRICE DI 1 VOLT
MULTIPLI DELL' ELETTRONVOLT
1 KeV (KILOELETTRONVOLT) = 103 eV
1 MeV (MEGAELETTRONVOLT) = 106 eV = 1000 KeV
1 GeV (GIGAELETTRONVOLT) = 109 eV = 1000 MeV
1 TeV (TERAELETTRONVOLT) = 1012 eV = 1000 GeV
1 eV EQUIVALE ALL' ENERGIA DI AGITAZIONE
TERMICA MEDIA ACQUISITA DA UN ELETTRONE ALLA
TEMPERATURA DI 11600 °K
(°K → GRADI KELVIN = GRADI CENTIGRADI (C°) +
273,16)
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ALL' INFINITAMENTE GRANDE
BARRIERA DI POTENZIALE PER LA
FUSIONE NUCLEARE
BARRIERA DI POTENZIALE
TRA DUE PROTONI
E = MC2
PRINCIPIO DI EQUIVALENZA DI EINSTEIN TRA
MASSA ED ENERGIA
SE M = 1 GRAMMO, E = 10-3 Kg x (3 x 108 m/s)2 =
= 9 x 1013 JOULE = 9 x 1013 / 3,6 x 106 = 25 x 106
Kwh.
1 Kwh = 3,6 x 106 J
LA COMBUSTIONE DI 1 GRAMMO DI CARBONIO
PRODUCE 7865,41 calorie = 7865,41 X 4,18 =
=32877,41 JOULE = 32877,41/3,6 x 106 = 0,009132
REAZIONI DI FUSIONE NUCLEARE
REAZIONI DI FUSIONE NUCLEARE
IL DIFETTO DI MASSA DELLE
REAZIONI NUCLEARI CONFERMA LA
LEGGE RELATIVISTICA E = mc2
NELLA REAZIONE NUCLEARE A + B = C + D LA SOMMA MA + MB
DELLE MASSE DEI PRODOTTI DI REAZIONE E' SEMPRE
LIEVEMENTE MINORE DELLA SOMMA MC + MD DELLE MASSE DEI
REAGENTI.
ESEMPIO:
NELLA REAZIONE DI FUSIONE NUCLEARE
1
7
4
4
1H + 3Li ---> 2He + 2He + 17 MeV
(Reazione di Cockroft e Walton, 1932)
L' ENERGIA PRODOTTA (17 MeV = 17 x 10 6 x 1,6 x 10-19 J =
= 27,2 x 10-13 J) EQUIVALE ALLA DIFFERENZA
(DIFETTO DI MASSA) TRA LA SOMMA DELLE MASSE DEI REAGENTI
(PROTONE E NUCLEO DI LITIO) E LA SOMMA DELLE
MASSE DEI PRODOTTI DI REAZIONE (PARTICELLE ALFA)
LA REAZIONE DI FUSIONE
NUCLEARE PROTONE-PROTONE
IL CICLO DI BETHE
(HANS BETHE - 1938)
IL CICLO DI BETHE
(CICLO CNO - CARBONIO-AZOTOOSSIGENO)
DENEB
SIRIO
LA COSTELLAZIONE DI ORIONE
Betelgeuse
ANTARES
SUPERGIGANTE ROSSA
NELLA COSTELLAZIONE DELLO SCORPIONE
ANTARES
BETELGEUSE E ANTARES
DUE BELLISSIME SUPERGIGANTI ROSSE
NEBULOSE PLANETARIE
NEBULOSA TESTA DI CAVALLO
NEBULOSA OCCHIO DI GATTO
DALL' INFINITAMENTE PICCOLO
ALL' INFINITAMENTE GRANDE
LE REAZIONI NUCLEARI DI FISSIONE E FUSIONE
VIDEO 1 (LA FUSIONE NUCLEARE)
VIDEO 2 (LA FUSIONE NUCLEARE)
VIDEO 3 (LA FISSIONE NUCLEARE)
VITA E MORTE DI UNA STELLA
VIDEO 1
VIDEO 2
VIDEO 3
VIDEO 4
EDWIN HUBBLE SCOPRE
L' ESPANSIONE DELL' UNIVERSO (1929)
LA LEGGE DI HUBBLE
V = HR
GEORGE GAMOW FORMULA LA
TEORIA DEL BIG BANG (1946)
IL BIG BANG
ARNO E PENZIAS SCOPRONO
LA RADIAZIONE COSMICA DI FONDO (1964)
ALAN GUTH FORMULA LA TEORIA
DELL' INFLAZIONE COSMICA (1979)
LA LINEA DEL TEMPO
DELL' UNIVERSO