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A cura del Dipartimento di Fisica della Sapienza
Hanno collaborato alla realizzazione:
Gianni Battimelli
Gabriella Fascetti
Maria Grazia Ianniello
Egidio Longo
Si ringraziano inoltre:
Giovanni Vittorio Pallottino
Fabio Sebastiani
Progetto grafico: Fulvio Medici
3
4
INDICE
6 I NUOVI CORSI DI STUDIO UNIVERSITARI
Il sistema 3+2+3
8 FISICA PERCHÉ
9 Le ricerche in Fisica alla Sapienza
35 Principali Istituzioni e Laboratori nazionali e internazionali
36 FISICA DOVE
37 Il Dipartimento di Fisica della Sapienza
40 Informazioni generali
42 Attività di orientamento
43 Mappa delle aule
44 Un Dipartimento con una grande tradizione. La Fisica a
Roma alla Sapienza: le tappe principali
46 Chi erano
55 Chi siamo
56 Il Museo di Dipartimento di Fisica
58 I fondi archivistici
59 FISICA COME
62 Corsi di studio delle lauree triennali
Norme relatice all’accesso
63 Studenti impegnati a tempo parziale
Calendario didattico
Organizzazione dei corsi di lezione
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INDICE
64 Valutazione
Piani di studio individuali
65 Passaggi
Recuperi
Anticipazioni
Insegnamenti “Fuori Facoltà”
66 Dissertazione e votazione fianle
Supplemento al diploma
Percorsi di eccellenza
67 Insegnamenti
68 Trasferimenti dagli ordinamenti precedenti
70 Norme transitorie
71 Corsi di studio delle lauree specialistiche
Norme relative all’accesso
72 Studenti impegnati a tempo parziale
Calendario didattico
Valutazione
73 Piani di studio individuali
Passaggi, recuperi ed anticipazioni
Tesi di laurea e votazione finale
Supplemento al diploma
Percorsi edi eccellenza
79 I corsi di insegnamento per le lauree specialistiche
81 Norme transitorie
84 I Dottorati di ricerca
88 I costi
89 Fisica e mercato del lavoro
6
I NUOVI CORSI DI STUDIO UNIVERSITARI
7
I NUOVI CORSI DI STUDIO UNIVERSITARI
La struttura dell’insegnamento in fisica, in accordo con la riforma universitaria si articola in cicli successivi:
Lauree triennali
Il Dipartimento di Fisica dell’Università La Sapienza di Roma offre tre corsi di laurea triennali: Fisica, Fisica e Astrofisica, Tecnologie Fisiche e dell’Informazione.
Le lauree triennali forniscono una preparazione di base che consente:
il proseguimento degli studi nella Laurea specialistica, nel Master, nelle Scuole di specializzazione per l’insegnamento; l’inserimento nel mondo del lavoro (per es. nei campi di Fisica e Ambiente, Elettronica, Calcolatori, Innovazione tecnologica, Biosistemi, Fisica sanitaria, Fisica musicale, Beni culturali, Astronomia, Astrofisica e Ricerca spaziale).
Lauree specialistiche
Consentono: il proseguimento degli Studi; l’inserimento nella ricerca fondamentale o applicata; la promozione e lo sviluppo
tecnologico, le attività professionali e di progetto correlate alle
discipline fisiche (industria, ambiente, sanità, beni culturali e
pubblica amministrazione).
Dottorati
Rappresentano il completamento della formazione del ricercatore; il conseguimento del titolo è un requisito indispensabile per
l’accesso ai concorsi di Ricercatore nelle Università e negli Enti
di Ricerca. Per ulteriori informazioni vedi oltre.
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FISICA PERCHÉ
9
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
I
Nel seguito troverete, senza alcuna pretesa di completezza, brevi
indicazioni su alcune delle grandi questioni intorno a cui si lavora in Dipartimento, sui più stimolanti problemi aperti e sulle
prospettive della ricerca avanzata in questi settori.
FISICA PERCHÉ
fisici del nostro Dipartimento sono attivi in tutte le aree di
ricerca riportate nella figura. Nonostante le diverse aree differiscano talvolta anche in maniera rilevante per quanto riguarda
metodi di indagine, dimensioni delle attrezzature sperimentali,
strumenti di calcolo o ampiezza delle ricadute applicative, spesso
la linea di demarcazione tra settori di diversa denominazione tradizionale non può essere tracciata in maniera netta. E’ il caso, per
esempio, di due campi abbastanza lontani tra loro fino a tempi
relativamente recenti come l’astrofisica e la fisica delle particelle
elementari, che si trovano oggi sotto molti aspetti a confrontarsi
con gli stessi problemi. Si parla anche di “fisica astroparticellare”:
rispondere a domande sul “sempre più piccolo” equivale oggi a
rispondere a domande sul “sempre più vicino alla nascita dell’universo”. Allo stesso modo, ricerche originate come speculazioni
relativamente astratte e lontane dalle applicazioni in meccanica
statistica si rivelano fondamentali per rispondere ad interrogativi
sul funzionamento di sistemi biologici complessi (è il caso della
ricerca sulle reti neuronali, un settore fertilissimo che si situa
all’intersezione tra fisica statistica, biofisica, cibernetica e fisica
della materia).
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Fisica delle particelle
FISICA PERCHÉ
La fisica delle particelle studia i costituenti fondamentali della
materia e le loro interazioni, le relazioni tra energia, materia, spazio e tempo, le simmetrie e le leggi che governano l’Universo e la
sua evoluzione.
Qual’è la struttura ultima della materia? Oggi sappiamo che la
materia è organizzata in famiglie di particelle, repliche più
pesanti ed instabili della famiglia con cui è fatta tutta la materia
ordinaria, costituita dall’elettrone col suo neutrino e dai due
quark, up e down, che formano il protone e il neutrone. Ci sono
motivazioni profonde per questa struttura a “repliche”? A questa
intrigante domanda non c’è ancora una risposta.
Le forze fondamentali che conosciamo sono quattro: l’interazione
gravitazionale, l’interazione debole, l’interazione elettromagnetica
e l’interazione forte. Queste interazioni agiscono tra le particelle di
“materia”, elettroni, neutrini e quark, e sono “mediate” dalle particelle di “forza”, gravitoni, bosoni W e Z, fotoni e gluoni.
La forza debole è alla base della combustione dell’idrogeno nelle stelle.
11
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Queste sono le domande fondamentali che si pongono oggi i fisici
delle particelle:
• Quali sono le Simmetrie dell’Universo?
• Qual’è l’origine della massa delle particelle?
• Perché l’Universo è fatto di materia? Ci sono tracce di
antimateria?
• Qual’è la natura della massa mancante dell’Universo?
Le risposte vengono dagli esperimenti agli acceleratori, come
quelli del CERN di Ginevra, dove si riproducono le altissime
densità di energia dell’Universo primordiale; dagli esperimenti
nelle profondità della terra, come ai laboratori del Gran Sasso, dove i rumori di fondo sono minimi; dagli esperimenti che raccolgono particelle al di fuori dell’atmosfera, come sulle stazioni orbitanti o sulle sonde spaziali.
I Laboratori Nazionali
del Gran Sasso.
L’esperimento AMS
in volo sopra la Terra.
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Gli esperimenti di “alte energie”
FISICA PERCHÉ
La collisione tra particelle dotate di energie molto elevate permette di ricreare in laboratorio i costituenti fondamentali presenti nei primi istanti dell’Universo e di studiarne le loro interazioni. Per accelerare le particelle alle energie necessarie si devono
costruire macchine troppo grandi e costose per una Università o
anche per un singolo Paese. Molti degli esperimenti dei fisici del
Dipartimento si svolgono al CERN di Ginevra, al FERMILAB di
Chicago, a SLAC in California.
In un tipico esperimento di alte energie due fasci di particelle vengono fatti
collidere (in questo caso elettroni contro positroni). La loro massa si converte in energia, generando varie particelle osservate nei diversi "rivelatori".
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Il CERN di Ginevra.
FISICA PERCHÉ
L’esperimento BaBar di SLAC.
14
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
FISICA PERCHÉ
L’antimateria
Molti pensano che l’antimateria sia un’invenzione dei libri di fantascienza: non è così. L’antimateria viene prodotta dai raggi
cosmici che colpiscono l’atmosfera terrestre e negli acceleratori di
particelle con la stessa probabilità con cui viene prodotta la materia. Come predetto da P.A.M. Dirac nel 1927 e dimostrato da
C.D. Anderson nel 1932 con la scoperta del positrone, l’antiparticella dell’elettrone, ad ogni particella corrisponde un’antiparticella con le stesse proprietà ma carica elettrica opposta.
Le leggi della fisica devono essere le stesse per materia ed antimateria,
per cui ci dovremmo aspettare un Universo pieno di antimateria.
Quando materia ed antimateria
si incontrano, si disintegrano,
producendo una grandissima
quantità di energia sotto forma di
fotoni: il secondo passo di Armstrong sulla Luna dimostra che
non ci sono apprezzabili quantità
di antimateria su distanze planetarie. L’assenza di vistose esplosioni nel nostro Universo porta
ad escludere apprezzabili quantità di antimateria fino a 20
Megaparsec, (cioè milioni di parsec, una unità di misura che rappresenta la distanza di un oggetto che ha una parallasse di un
arco di secondo ed equivale a
3.26 anni luce).
La ricerca nello spazio delle più
deboli tracce di antimateria e la
formulazione delle possibili spiegazioni della sua scomparsa sono
un tema affascinante che promette di svelare i segreti fondamentali della primigenia evoluzione
dell’Universo in cui viviamo.
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
La Materia Oscura
Antimateria, materia oscura, energia oscura: alcuni dei pezzi mancanti del
puzzle del nostro Universo.
FISICA PERCHÉ
Un altro dei misteri dell’Universo riguarda la quantità di materia
che esso deve contenere: in base a molte delle caratteristiche che
osserviamo (per esempio la velocità di rotazione delle Galassie, che
dipende dalla massa totale in esse contenuta e può essere misurata
tramite l’effetto Doppler della luce che arriva fino a noi) essa risulta molto maggiore della materia visibile identificata.
Sulla natura di questa Materia Oscura sono state formulate diverse ipotesi, molte delle quali coinvolgono particelle dai nomi esotici (WIMP, neutralini ecc.) non ancora osservate e accanitamente ricercate dai nostri esperimenti.
Le più recenti misure dell’espansione dell’Universo suggeriscono
un aumento della velocità di espansione: una possibile spiegazione potrebbe essere che il “vuoto cosmico” sia in realtà riempito
da una forma di “energia oscura”, ricollegabile alla presenza della
“costante cosmologica”, prevista da Einstein.
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Dalle frontiere della fisica alle frontiere della tecnologia
FISICA PERCHÉ
Le tecniche necessarie per la realizzazione degli esperimenti della
fisica di punta sono quasi sempre ai limiti delle possibilità della
tecnologia moderna e spingono continuamente verso nuovi traguardi alla frontiere della tecnologia, con applicazioni in campi
spesso molto lontani da quelli di origine. I dati trasmessi in un
secondo di funzionamento di un esperimento di LHC, il futuro collider del CERN, equivalgono all’informazione media scambiata
con 100 milioni di telefonate: da questa immensa mole di informazioni, sofisticati algoritmi devono filtrare ed estrarre le rarissime informazioni corrispondenti ai segnali delle nuove particelle.
Ogni 25 miliardesimi di secondo, il rivelatore centrale dell’esperimento
CMS produce un’immagine come quella di sinistra. Da questa immensa
mole di informazioni, il software dell’esperimento è in grado di filtrare in
tempo reale le tracce degli eventi rari ed interessanti (a destra).
17
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
FISICA PERCHÉ
Dai calorimetri a cristalli alla Tomografia ad Emissione di
Positroni (PET): i più precisi strumenti per la misura dell’energia dei fotoni negli esperimenti di alta energia utilizzano cristalli pesanti nei quali le particelle prodotte dai fotoni sviluppano segnali luminosi. Nelle più avanzate tecniche diagnostiche si utilizzano alcune sostanze che emettono positroni e che
vengono assorbite in modo selettivo dai tessuti. Questi positroni, annichilandosi con gli elettroni presenti, generano due fotoni: i rivelatori a matrice di cristalli, sviluppati sfruttando le
ricerche dei fisici delle particelle, permettono di individuare
con estrema precisione la posizione in cui è avvenuta l’annichilazione.
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Dal WWW alla GRID
FISICA PERCHÉ
Il World Wide Web è stato inventato nel 1989 dal Dr. T. Berners
Lee, che lavorava al CERN di Ginevra: originariamente il sistema era stato concepito per lo scambio istantaneo di informazioni
tra ricercatori impegnati negli stessi progetti scientifici, ma che
lavoravano in Laboratori e Università sparsi per il mondo. Oggi
ha milioni di utilizzatori scientifici e commerciali in tutto il
mondo.
Se il WWW dà un accesso semplice ed immediato all’informazione distribuita sulla rete, la nuova frontiera è l’accesso altrettanto immediato alla potenza di calcolo distribuita sulla rete: i
ricercatori del nostro Dipartimento partecipano ad un ambizioso
progetto, detto GRID (griglia) che nasce da una vastissima collaborazione internazionale tra l’Unione Europea, il CERN,
l’INFN, la NASA, il Department of Energy degli Stati Uniti,
l’MIT ed altre prestigiose istituzioni.
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
L’Astrofisica, anziché un settore della Fisica, è da intendere come
quella disciplina che applica le conoscenze di tutti i settori della
fisica alla comprensione della fenomenologia legata ai corpi celesti e alla distribuzione della materia e dell’energia nell’Universo.
Da un lato essa si basa su osservazioni dei fenomeni cosmici, sui
quali non si può avere un controllo diretto, diversamente da
quanto accade negli esperimenti di laboratorio. D’altro canto gli
astri e il cosmo rappresentano proprio dei “laboratori” in cui si
possono realizzare naturalmente situazioni estreme non sperimentabili a terra. Talvolta, infatti, le teorie fisiche possono avere
un diretto riscontro solo in fenomeni astronomici
come esplosioni di
supernovae, buchi
neri, lenti gravitazionali, stelle di
neutroni, ecc.. Le
osservazioni coinvolgono l’intero
spettro elettromagnetico e, di conseguenza, le tecnologie più diverse: dai radiotelescopi e interferometri di dimensione planetaria, I quattro telescopi da 8.2 m del Very Large Telescope
agli osservatori dell’ESO (European Southern Observatory), utilizzaspaziali per la ra- bili come interferometro (VLTI). Cerro Paranal (Cile)
diazione infrarossa, ultravioletta e visibile e per i raggi X e gamma, ai grandi telescopi ottici a terra.
Anche “finestre non elettromagnetiche” sono aperte sul cosmo:
neutrini, raggi cosmici di altissima energia (molto maggiore di
FISICA PERCHÉ
Astrofisica
20
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
FISICA PERCHÉ
quella ottenibile nei grandi acceleratori di particelle) e, potenzialmente, la radiazione gravitazionale prevista dalla teoria della
relatività generale.
Le attività di ricerca teoriche e osservative del nostro Dipartimento riguardano alcune delle domande fondamentali dell’astrofisica:
– Qual è la geometria e quale la dinamica globale dell’Universo?
– Quali sono le distribuzioni di galassie e di materia oscura
nell’Universo e il loro legame con la dinamica cosmica complessiva?
–
Il telescopio XMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea, per
l’osservazione delle sorgenti cosmiche di radiazione X
Come sono nati e come evolvono galassie e nuclei galattici attivi?
– Come si alimenta il “motore centrale” di un nucleo galattico
attivo, e qual è la sua relazione con la dinamica della galassie che
lo ospita?
– Quali sono i meccanismi che spiegano la distribuzione spettrale, dal radio ai raggi gamma, delle sorgenti cosmiche di alta
energia?
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Il problema della “localizzazione” dell’antimateria nell’Universo, o
quello della massa mancante (della “materia oscura”) sono due buoni
esempi del modo in cui si intrecciano domande tradizionalmente
associate ai campi della fisica delle particelle e dell’astrofisica. Un
altro esempio in proposito è fornito dalle ricerche che hanno
portato recentemente alla realizzazione dell’esperimento Boomerang, condotto in prima fila
da ricercatori del nostro Dipartimento. I dati raccolti dall’esperimento, il cui obiettivo è
la misura delle anisotropie della
radiazione elettromagnetica di
fondo, hanno permesso di ricostruire una “fotografia” dell’universo in una fase primordiale,
quando era 50000 volte più
giovane, mille volte più caldo e
Un lancio di Boomerang.
un miliardo di volte più denso
di adesso; grazie a queste indicazioni si è in grado di ottenere informazioni sui primissimi istanti di
vita dell’universo, immediatamente dopo il Big Bang, e insieme di
conoscerne meglio la distribuzione della massa e della densità.
Un’immagine delle strutture dell’universo primordiale osservate da Boomerang. Per dare un’idea della scala, il piccolo tondo
nero in basso a destra corrisponde alle dimensioni
apparenti della Luna.
FISICA PERCHÉ
La radiazione di fondo dell’Universo
22
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Esistono le onde gravitazionali?
Previste dalla teoria della relatività generale, le onde gravitazionali hanno resistito finora ad ogni tentativo di captarne la presenza attraverso la realizzazione di apposite antenne (le “antenne
gravitazionali”). E’ questa una linea di ricerca che vanta una
lunga tradizione nel nostro Dipartimento, con la realizzazione di
sbarre risonanti criogeniche, e che vede attualmente la partecipazione di un nostro gruppo di ricerca alla collaborazione internazionale che sta costruendo Virgo, un gigantesco interferometro
(localizzato nella pianura a ridosso di Pisa) che dovrebbe essere in
grado di rilevare segnali anche di debolissima intensità e dare
quindi indicazioni empiriche definitive in favore dell’esistenza di
questi elusivi oggetti previsti dalla relatività generale.
23
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Fisica, Complessità e Disordine
Dopo enormi successi la fisica
ha scelto una nuova, formidabile sfida. La natura delle
scienze fisiche è quella di fornire dettagliate previsioni
quantitative sui fenomeni
naturali. Questo ha portato
alla elaborazione di un quadro
teorico che consente una comprensione profonda dei grandi
fenomeni fondamentali (le
particelle elementari, i quark,
la frontiera del piccolissimo):
Secondo voi questo disegno
anche se in questi campi
è complesso o no?
rimane ancora molto da fare, i
grandi successi conseguiti
hanno stimolato l’apertura di una nuova, caldissima frontiera,
quella della Complessità
La fisica oggi cerca di spiegare in modo quantitativo e di prevedere
il comportamento di sistemi in
cui il disordine che ne caratterizza i componenti elementari o
la complessità intrinseca delle
loro interazioni ha un ruolo
importante, che arriva fino a
modificare crucialmente la
natura stessa del sistema, consentendogli comportamenti di
enorme interesse. Il fatto che
l’analisi di semplici strutture
matematiche porti alla creazione di strutture affascinanti è
stato molto importante.
Guardate la seconda figura di
questa pagina: non si direbbe
24
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
FISICA PERCHÉ
proprio che nasca da una fredda e semplice equazione, vero? Eppure
si tratta del risultato di una elementare regola di iterazione. Questi
metodi hanno una valenza straordinaria: ad esempio, possono suggerirci come provare ad aiutare la struttura delle connessioni di
Internet a crescere in modo intelligente. Provate invece a fare un vero
esperimento, ed aprite a metà il rubinetto del bagno: vedete una
complicata struttura di filamenti che si intersecano e si modificano
nel tempo. Cos’è che genera una struttura così “artistica”?
Da un lato queste teorie stanno dando grandi contributi alla comprensione di materiali fisici di grande interesse (per esempio la
struttura dei semplici vetri delle finestre è ancora un mistero, che
si sta forse chiarificando grazie a queste idee). Dall’altro lato il
campo in cui questi metodi cercano di aiutare la nostra capacità
di comprensione si allarga: adesso i fisici cercano di comprendere
complessi sistemi biologici, sistemi di agenti in interazione,
come modelli di mercati economici, ed aggregati di esseri complessi che interagiscono socialmente (insomma, noi...). Si tratta
certamente di una frontiera pionieristica piena di promesse.
Rappresentazione grafica di sistemi biologici ad alta complessità che la
fisica cerca di aiutare a capire.
Si vede il processo di mitosi in una salamandra, una macro-cellula del
fegato di un topo, un ribosoma.
25
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Complessità e disordine
sono termini che si sono
affacciati (o sono ricomparsi con nuovi significati) all’interno di quella
che si indica generalmente come “fisica della
materia”, e che può essere
caratterizata come quella
parte della fisica che studia, anziché le proprietà
dei costituenti “elementari” nella loro indivi- Immagini di "punti" e "vulcani" quantici ottedualità e le caratteristi- nute col microscopio a scansione di sonda.
che ancora sconosciute
delle interazioni che si
esercitano tra di essi, i
comportamenti e le proprietà tipici di aggregati
di numerosissimi costituenti di cui sono ben
note le proprietà individuali e quelle delle forze
che li legano (si tratta in
sostanza di interazioni
elettromagnetiche), ma
che presentano talvolta
comportamenti nuovi e
inediti dovuti al gran
numero di componenti dei sistemi in esame. Le domande che si pongono in questo settore sono le più disparate, e spaziano da questioni
di immediato interesse applicativo a quesiti di carattere assolutamente fondamentale. Perché, ci si chiede da un lato, in alcune ceramiche la resistenza elettrica diventa nulla al di sotto di una certa
temperatura? E’ la superconduttività: se si innesca una corrente elettrica all’interno di un anello di Niobio alla temperatura di otto gradi
FISICA PERCHÉ
Fisica della materia
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Kelvin (circa 265 gradi sotto zero), la corrente circola “per sempre”
(sono stati misurati tempi dell’ordine di molti anni). Qui intervengono e si mischiano le leggi fondamentali della meccanica quantistica, che regolano i comportamenti individuali dei costituenti di base
della materia ordinaria, e quelle della meccanica statistica che descrivono i comportamenti collettivi di aggregati di grandissimi numeri
(dell’ordine del numero di Avogadro) di tali costituenti.
Le nanotecnologie, ossia le tecniche per realizzare oggetti di
dimensioni piccolissime (un nanometro è un miliardesimo di
metro), consentono di studiare le proprietà quantistiche della
materia in strutture disegnate in laboratorio.
Dall’unione della superconduttività con le nanotecnologie nascono
nuovi dispositivi, che a loro volta possono essere utilizzati per incrementare sensibilmente la sensibilità e la raffinatezza di strumentazione utile in altri settori di ricerca (bolometri e microrefrigeratori,
per misurare la radiazione cosmica, o gli SQUID, che misurano
campi magnetici e sono usati dai ricercatori del Dipartimento per
studiare le leggi fondamentali della meccanica quantistica), e trovare poi anche un gran numero di impieghi pratici.
FISICA PERCHÉ
Fisica dei Biosistemi
Una delle linee di ricerca nell’area di Fisica dei Biosistemi che si
è recentemente sviluppata nel nostro Dipartimento, riguarda lo
studio dell’interazione del DNA con i lipidi, considerati possibili candidati quali vettori nella terapia genica.
Questi sistemi, che presentano una fenomelogia molto ampia nell’ambito della fisica dei sistemi complessi, sono studiati utilizzando diverse tecniche sperimentali tra cui Diffrazione di Raggi
X, Microscopia a forza atomica (AFM), diffusione della luce e
Spettroscopia Dielettrica.
27
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Anche antiche domande sui fondamenti si ripropongono in termini nuovi. Come si spiega l’apparente paradosso per cui degli
oggetti come le molecole di un gas, che obbediscono alle leggi
della meccanica classica (e che dovrebbero quindi muoversi
secondo una dinamica reversibile, cioè comportarsi in un modo
indifferente allo scorrere della freccia del tempo), esibiscono
invece, se osservati in grande numero a livello macroscopico, il
comportamento tipicamente irreversibile sancito dal secondo
principio della termodinamica? Posto oltre un secolo fa nei
lavori dei padri fondatori della meccanica statistica, il problema
si ripropone ancora vivo all’attenzione dei ricercatori di oggi,
che hanno però ora a disposizione un poderoso strumento per
studiarlo, fornito dalla incredibile potenza di calcolo dei
moderni calcolatori, che sono in grado di “inseguire” la dinamica di un gran numero di particelle in interazione e simularne il comportamento reale.
La dinamica molecolare permette così, attraverso questi “esperimenti teorici” in cui il calcolatore svolge una essenziale funzione
di simulazione di comportamenti collettivi che non sarebbero
altrimenti calcolabili analiticamente, di porre e analizzare in termini nuovi una antica domanda fondamentale che sta a fondamento della meccanica statistica.
Supercalcolatori
Lo sviluppo di metodi di calcolo sempre più veloci, flessibili e
potenti è una linea di ricerca che è da sempre perseguita con
eccellenti risultati nel nostro Dipartimento (nella tradizione che
trae origine da un suggerimento di Enrico Fermi).
In particolare, a partire dall’idea che diede origine ad Ape, il
FISICA PERCHÉ
Dinamica molecolare
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
FISICA PERCHÉ
primo calcolatore parallelo specificamente progettato per il calcolo
scientifico, i ricercatori del nostro Dipartimento hanno realizzato,
nell’ambito di una collaborazione Europea che coinvolge, oltre
all’INFN, altri istituti di ricerca in Europa, quali DESY in
Germania, Orsay, Paris-Sud in Francia e il CERN, la nuova generazione di calcolatori paralleli della classe apeNEXT, con potenze
dell’ordine del TeraFlop/s (1012 operazioni floating point al secondo). Nel seminterrato dell’Edificio E. Fermi del Dipartimento di
Fisica è ospitato uno dei maggiori laboratori di calcolo scientifico
in Europa, con 14 unità apeNEXT, per una potenza complessiva di
circa 10 TeraFlop/s e una memoria di 1.8 TeraBytes.
29
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
La nostra comprensione di moltissimi fenomeni naturali si basa
sulla nostra capacità di risolvere le equazioni del moto di sistemi
sia discreti (insiemi di particelle, reticoli, automi cellulari) che
continui (fluidi, campi elettromagnetici, campi gravitazionali).
Queste equazioni sono generalmente non lineari ed, a fronte della
enorme difficoltà di escogitare metodi analitici di indagine, la
loro non linearità dà luogo a fenomeni estremamente interessanti e complessi. L’approssimazione lineare semplifica i calcoli ma è
molto spesso inadeguata a comprendere la fisica di quanto si
osserva. Negli ultimi quarant’anni sono stati scoperti sistemi
modello che descrivono comportamenti dinamici non lineari,
universali ed ordinati tali da essere trattabili in modo esatto con
tecniche di analisi ed algebra. La generalità di questi metodi di
indagine permette la loro applicazione ai fenomeni più vari: onde
nei fluidi come negli oceani e nell’atmosfera, propagazione di
energia nelle catene molecolari come nel DNA, onde elettromagnetiche come fasci LASER in mezzi non lineari, onde gravitazionali come da esplosione di supernovae, onde nella materia condensata come in solidi e plasmi. In particolare, nello studio della
propagazione di onde non lineari, è emerso un nuovo paradigma
capace di unificare diversi comportamenti: quello di SOLITONE. Generalmente questo designa un’onda capace di propagarsi
in un mezzo dispersivo senza disperdersi (!) grazie ad un bilanciamento tra l’effetto dispersivo e quello non lineare. Questa scoperta ha avviato una ricerca esplosiva sulla teoria dei solitoni e
sulle loro applicazioni. Le più recenti riguardano la trasmissione
di impulsi ottici sia in fibra su grandissime distanze sia in componenti logiche per calcolatori ottici. Questi solitoni ottici si
comportano come robuste “particelle di luce” (nella Fig 1 si vede
l’urto di due solitoni stabili mentre nella Fig. 2 l’urto è tra due
solitoni instabili e la Fig. 3 mostra due solitoni legati). La non
linearità delle equazioni del moto comporta una ricca fenomenologia come urti tra onde, fusione di onde, creazione ed annichilazione di coppie, decadimenti, formazione di strutture estese coe-
FISICA PERCHÉ
Sistemi fisici non lineari e ordinati: teoria dei solitoni
30
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
renti, ed oggi la teoria sottostante porta ad un controllo matematico di questi fenomeni ed a fare previsioni dei dati sperimentali.
Recentemente si è cominciato a vedere anche una via analitica per
trattare processi di onde d’urto e per descrivere analiticamente la
transizione dai moti ordinati a quelli caotici.
FISICA PERCHÉ
Geofisica
Nel vasto ambito della geofisica, nel nostro Dipartimento si svolgono varie attività tra cui lo studio della radiazione UV, e di vari
aspetti del clima e delle cause che lo modificano.La radiazione
solare ultravioletta al suolo è un importante parametro ambientale. Il suo studio permette di quantificare quanta radiazione arriva alla superficie terrestre in funzione della posizione del sole e
della composizione dell’atmosfera. Questo tipo di indagine è
anche importante per valutare quanta radiazione viene intercettata dagli individui durante le loro attività all’aperto. Per quanto riguarda lo studio del clima esso ha aspetti di carattere fondamentale, come lo studio della circolazione generale dell’atmosfera, della tropopausa atmosferica, del ruolo dell’oceano nelle variazioni paleoclimatiche, Un obiettivo è quello di descrivere l’origine delle zone climatiche della Terra. Oggi esistono basi razionali
da cui far derivare una completa spiegazione dell’origine delle
zone climatiche e della loro dipendenza dalle forze che si eserci-
31
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
La circolazione generale dell’atmosfera: schema. Il ruolo dell’oceano nelle
variazioni paleoclimatiche è un altro tema fondamentale. Le circolazioni oceaniche su scala planetaria dipendono anche dalla distribuzione di salinità e la differenza di densità associata guida delle circolazioni profonde che hanno scale dei tempi anche millenarie.
Interruzioni improvvise di tali circolazioni possono indurre variazioni climatiche, incluse le glaciazioni. Satellite per osservazione della
Terra. Di ovvia importanza pratica è lo studio del ciclo idrologico e
della siccità, degli eventi estremi e l’uso di satelliti per la raccolta di
dati su scala globale. I satelliti sembrano essere le piattaforme ideali
da cui eseguire con continuità tali misure. Attualmente, un gruppo
del Dipartimento si è impegnato nell’uso di dati GPS (‘Global
FISICA PERCHÉ
tano sul sistema. Tuttavia le difficoltà insite nella natura non
lineare dei processi fisici coinvolti fa si che queste spiegazioni
appaiono ancora elusive ed insoddisfacenti.
32
LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
FISICA PERCHÉ
Position System’) per la determinazione dell’altezza della tropopausa
e del contenuto di vapore acqueo dell’atmosfera. Per quanto riguarda la siccità e il ciclo idrologico, come riportato dalla stampa, le risorse idriche del pianeta saranno presto sottoposte ad uno sforzo al limite della sostenibilità. In particolare, il bacino del Mediterraneo, un’area soggetta ad episodi siccitosi frequenti, pone il problema dell’uso
razionale delle risorse per prevenire e mitigare gli effetti avversi di
questi eventi. In questo ambito nel Dipartimento si è studiato il
ciclo idrologico dell’acqua nel bacino del Mediterraneo, sviluppando
una metodologia per il monitoraggio della siccità.
Indice di siccità SPI sulla scala temporale di 3 mesi per Aprile 2007.
Dati NCEP/NCAR.
Lo studio della statistica degli eventi estremi è uno dei capitoli fondamentali per monitorare e prevenire gli effetti di disastri naturali
quali la siccità e le inondazioni. Nel Dipartimento si sviluppano
metodi non tradizionali per la classificazione di tali eventi.
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Le ricadute applicative di ricerche nate sotto la spinta della pura
curiosità per lo studio di processi fondamentali sono innumerevoli, e
spesso sorprendenti ed impensate. Un grande sviluppo ha conosciuto in tempi recenti l’applicazione di risultati e tecniche, originati
nella fisica delle particelle e nella fisica della materia, nel campo della
salvaguardia e dello studio dei beni culturali. Una linea di ricerca sviluppata nel nostro dipartimento consiste nell’utilizzo delle proprietà
della diffusione della luce nei marmi bianchi per la realizzazione di
una strumentazione che consente uno studio assolutamente non
distruttivo della struttura interna di sculture in marmo bianco. In
questo modo si raccolgono informazioni preziose per la storia dell’arte che permettono di
individuare, per esempio, le
cave di provenienza del (o
dei) marmi utilizzati in una
data opera o di decidere
sulla pertinenza delle diverse parti in casi di opere
frammentate. In altre tecniche, opportuni fasci di particelle possono essere utilizzati come sonde per esplorare, senza effetti distruttivi
sull’opera d’arte, gli strati
sovrapposti di pittura in un
dipinto antico, ricostruendone la storia, la struttura
originale e le eventuali manomissioni. I fisici lavorano
in questo caso a fianco degli
storici dell’arte o degli specialisti del restauro.
Una misurazione effettuata
sulla testa di Ares (o Achille),
di Gian Lorenzo Bernini
FISICA PERCHÉ
Le applicazioni della fisica per i beni culturali
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LE RICERCHE IN FISICA ALLA SAPIENZA
Le ricerche in storia e didattica della fisica
FISICA PERCHÉ
Come sono nate e cresciute queste idee, come sono state confrontate con il duro banco di prova che è l’esperimento, quale è la storia
delle istituzioni di ricerca al cui interno si sono formati i fisici che le
hanno concepite e sviluppate? Sono le domande di chi si occupa di
storia della fisica, attività particolarmente coltivata nel nostro
Dipartimento, dove i ricercatori possono avvalersi della ricca collezione di strumenti del Museo di Fisica (una preziosa testimonianza
del passato della disciplina) e dei consistenti fondi archivistici, in cui
è custodita gran parte della memoria storica della fisica italiana.
Una lunga tradizione scientifica si trasmette grazie al passaggio di
competenze tra successive generazioni di fisici che si realizza nell’insegnamento. Studiare le modalità di trasmissione e di apprendimento del particolare linguaggio e dei contenuti conoscitivi specifici della fisica è il compito dei ricercatori in didattica della fisica, un altro settore di ricerca in cui il Dipartimento vanta una
lunga storia; la ricerca in didattica costituisce tra l’altro un canale
per eccellenza attraverso cui si realizzano efficaci interazioni tra l’università e il mondo dell’istruzione scolastica e si opera una corretta divulgazione delle idee della fisica a differenti livelli.
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FISICA PERCHÉ
PRINCIPALI ISTITUZIONI E LABORATORI
NAZIONALI E INTERNAZIONALI