Fisica

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La Fisica è la scienza che ha per oggetto di studio i fenomeni naturali e per scopo l’enunciazione delle loro leggi generali applicando il metodo scientifico.

Originariamente branca della Filosofia, la Fisica veniva chiamata filosofia naturale almeno fino al XVIII secolo; solo in seguito alla codifica del metodo scientifico di Galileo Galilei, e grazie ai continui sviluppi e scoperte in campo scientifico, il termine “fisica” si è distinto definitivamente da quello di filosofia.

EtimologiaDal latino physica, “natura” a sua volta derivante dal greco (τὰ) φυσικά ((tà) physiká), “(le) cose naturali”, nato da φύσις (phýsis), entrambi derivati dall’origine comune indoeuropea.
Sillabazionefì | si | ca
Pronuncia/IPA/’fizika/
GrammaticaSostantivo femminile singolare; plurale (non comune) fisiche.
SinonimiF. materiale, corporea, concreta, reale, effettiva, tangibile.
ContrariAstratta, metafisica, spirituale, morale, intellettuale, platonica.

Principali teorie della fisica

Fisica classica

La fisica classica studia tutti i fenomeni naturali che possono essere spiegati senza ricorrere alla relatività generale e alla meccanica quantistica.

Per tale motivo è possibile classificare come fisica classica tutte le teorie formulate prima del XX secolo, all’iniziare del quale apparvero i primi lavori di Max Planck basati sull’ipotesi dei quanti. Alcune teorie successive, come la relatività ristretta, possono essere considerate classiche o moderne. Sono quindi comprese nella fisica classica le teorie sulla meccanica, inclusa l’acustica, sulla termodinamica, sull’elettromagnetismo, inclusa l’ottica, e la gravità newtoniana.

Nel XVII secolo fu sviluppato il metodo scientifico e si aprì una fase di indagine approfondita della natura condotta da celebri scienziati come Galileo Galilei, Isaac Newton e Gottfried Wilhelm von Leibniz. Gli studi si concentrarono sul moto dei corpi e le sue cause, con particolare riguardo verso la meccanica celeste, segnata dal confronto fra la teoria geocentrica e quella eliocentrica. L’attenzione della fisica nei due secoli successivi si estese all’elettrostatica e al magnetismo, alla termodinamica e infine all’elettrodinamica.

Fisica moderna

Si definisce fisica moderna l’insieme degli sviluppi teorico-sperimentali scientifici che a partire dal XX secolo, hanno segnato un salto concettuale rispetto alla fisica classica, elaborata a partire dal XVII secolo, per spiegare fenomeni che non erano
descrivibili con un approccio “classico” (meccanica quantistica, teoria della relatività).

Non è possibile indicare con precisione una data di inizio per la fisica moderna, ma di certo lo studio della termodinamica e dei gas, che utilizzava un approccio “statistico” ai fenomeni, insieme alla codifica dell’elettromagnetismo, hanno portato ad avere nuovi atteggiamenti verso i fenomeni osservati. Infatti, Plank per spiegare lo spettro di corpo nero ipotizzò che la radiazione elettromagnetica potesse essere scambiata solo in pacchetti discreti di energia: i quanti.

Fisica sperimentale

La fisica sperimentale racchiude le discipline e sotto-discipline che utilizzano direttamente i significati delle osservazioni dei fenomeni fisici con lo scopo di ottenere dati ed informazioni riguardanti l’Universo, formulare o validare teorie fisiche e leggi fisiche. Obiettivo di tutte queste discipline è di raggruppare e spiegare/interpretare tutti i dati ottenuti con i metodi che variano molto: da semplici esperimenti con consueti strumenti di misura e semplici osservazioni fino ad esperimenti più complicati come le osservazioni mirate presso gli acceleratori di particelle come l’LHC.

Fisica teorica

La fisica teorica è una branca speculativa della Fisica che, partendo dall’assunzione di ipotesi di base, le sviluppa utilizzando il linguaggio matematico per arrivare all’enunciazione di leggi fisiche sotto forma di equazioni, rappresentando dunque, insieme con la fisica sperimentale, uno dei due momenti essenziali dell’indagine scientifica in fisica: maggiore è l’universalità delle leggi, ovvero più grande è il loro dominio di validità, più importante sarà la teoria corrispondente. In altre parole la fisica teorica è quella branca della fisica che utilizza modelli matematici e, più recentemente, anche strumenti numerici, nel tentativo di razionalizzare, spiegare e predire i fenomeni naturali.

Le radici della fisica teorica risalgono alla filosofia greca, dove i concetti di materia, energia, spazio, tempo e causalità cominciarono lentamente ad acquisire la forma che conosciamo oggi, assieme al convincimento che la natura possa essere descritta attraverso il simbolismo matematico. Ma l’era della moderna fisica teorica comincia diversi secoli dopo, all’inizio del 1600, con il cambiamento di paradigma Copernicano in astronomia, seguito a ruota dalla scoperta dell’espressione matematica delle orbite planetarie ad opera di Keplero, il quale mise a frutto le meticolose osservazioni di Tycho Brahe.

Simultaneamente, le grandi intuizioni fisiche di Galileo Galilei e la geometria analitica di Descartes vennero incorporate nella meccanica classica di Isaac Newton, estesa nel diciottesimo secolo da Joseph-Louis Lagrange, Leonhard Euler e William Rowan Hamilton, con i quali il fecondo dialogo tra matematica e fisica inaugurato due millenni prima da Pitagora ebbe il suo definitivo trionfo.

Il diciannovesimo secolo vide il consolidarsi dell’idea di energia per mezzo dell’inclusione del calore, e poi dell’elettricità, del magnetismo, della luce e infine della massa. In questo contesto le leggi della termodinamica, e in particolare l’introduzione del concetto di entropia, cominciarono a offrire una spiegazione macroscopica per le proprietà della materia, il cui quadro teorico fu invece fornito dalla meccanica statistica di Boltzmann e Gibbs, che mette in relazione le proprietà microscopiche dei singoli atomi e molecole con quelle macroscopiche dei materiali che osserviamo nella vita di tutti i giorni, giustificando così la termodinamica come il risultato naturale delle leggi statistiche e meccaniche del livello microscopico.

Ma i pilastri della moderna fisica teorica, e forse le più rivoluzionarie teorie nella storia della fisica, furono edificati all’inizio del ventesimo secolo: da un lato la meccanica Newtoniana fu generalizzata dalla relatività speciale di Einstein, il quale con la relatività generale fornì anche una spiegazione cinematica della gravità di Newton; dall’altro lato, la meccanica quantistica condusse ad una spiegazione della radiazione di corpo nero e delle anomalie nel calore specifico dei solidi, consentendo di raggiungere una maggiore comprensione della struttura interna di atomi e molecole.

Oggigiorno i fisici teorici lavorano ad una unificazione delle principali teorie nel tentativo di comprendere definitivamente il funzionamento dell’Universo, dalla scala cosmologica a quella delle particelle elementari (vedi ad esempio la cosmologia inflazionaria, il Modello Standard, la teoria quantistica dei campi, la QCD, la superfluidità, la quantum information, e via dicendo), passando attraverso il livello mesoscopico rappresentato dalla fisica dello stato solido (vedi meccanica dei solidi, dinamica dei fluidi, struttura elettronica dei materiali, teorie del caos e della complessità, teoria delle reti complesse, etc.), fino alle più recenti applicazioni dei modelli fisici a campi apparentemente distanti quali la biologia, l’economia, la sociologia e via dicendo (vedi biofisica, econofisica, socio fisica, etc.). Tutti questi campi di ricerca sono attivi all’interno del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Catania con diversi gruppi di fisici teorici impegnati in queste direzioni e collaborazioni internazionali con altri atenei e centri di ricerca nel mondo.

Fisica applicata

L’area di ricerca della fisica applicata riunisce molte competenze, gruppi e campi di applicazione. L’attività sperimentale si concentra principalmente sulla ricerca e sviluppo di metodi e tecnologie avanzate, che mirano sia a nuovi approcci sperimentali per l’indagine fondamentale sia alle applicazioni. L’attività dell’area si può dividere in quattro parti principali:

  • utilizzo di strumenti diagnostici per l’indagine di ambienti naturali ed artificiali, inclusa l’indagine del clima e degli inquinanti nell’atmosfera e l’utilizzo di metodi fisici per le indagini sui beni culturali;
  • sviluppo di strumenti avanzati per la diagnostica. Una parte notevole dell’attività dell’area è dedicata allo sviluppo di strumenti diagnostici quali test medicali e biosensori per la daignosi biomedica, agroalimentare ed ambientale, fotocatodi per cannoni elettronici a radiofrequenza, amplificatori e pre-amplificatori per la rivelazione di radiazione;
  • sviluppo di circuiteria avanzata, tecnologie, strumenti e sistemi elettronici e micro-elettronici, inclusa elettronica analogica e digitale resistente alla radiazione, criogenica, con alta radiopurezza e compatibile coi sistemi di vuoto;
  • sviluppo di strumentazione avanzata di tipo ottico per l’indagine dei materiali nello spazio.

Branche della fisica

Fisica atomica

La fisica atomica è il ramo della fisica moderna che studia le proprietà degli atomi come sistemi isolati, comprendenti elettroni e nuclei atomici, riguardando principalmente la disposizione degli elettroni stessi attorno al nucleo e i processi mediante i quali tali disposizioni mutano.

Si tratta di un campo della fisica studiato all’inizio del XX secolo con la fornitura dei vari modelli atomici fino al modello attuale ritenuto più verosimile ovvero con nucleo interno ed elettroni esterni di tipo orbitale.

Tale ambito coinvolge chiaramente gli atomi neutri così come gli ioni e, a meno che non altrimenti specificato, comprendendo così anche la descrizione e l’evoluzione nel tempo del modello atomico. Il termine fisica atomica è spesso erroneamente associato all’energia nucleare e alle bombe nucleari (o bombe atomiche, appunto), ambito tuttavia questo propriamente di interesse della sottobranca della fisica nucleare che focalizza invece l’attenzione solo sul nucleo atomico e le rispettive forze nucleari e reazioni nucleari.

Fisica della materia condensata

La fisica della materia condensata è la branca della fisica moderna che studia le proprietà fisiche microscopiche della materia. I virtualmente infiniti riarrangiamenti della materia, combinati con micro/nano-strutturazione, continuano a porre nuove sfide alla ricerca per lo sviluppo di composti e materiali innovativi caratterizzati da proprietà controllabili di interesse sia fondamentale che applicativo.

La fisica della materia condensata si interessa di sistemi estesi (solidi, liquidi, “materia soffice”) all’equilibrio termodinamico, ma anche di nano-aggregati e di fenomeni fuori-equilibrio, quali l’attrito e la dissipazione a livello atomico; interazione della radiazione con la materia, comprendente diverse spettroscopie, nonché lo sviluppo di modelli teorici e metodi sperimentali. È di gran lunga il campo di ricerca più ampio della fisica contemporanea presentando numerose sovrapposizioni con la chimica, la scienza dei materiali, l’elettronica, le nanotecnologie e l’ingegneria.

La sezione di Fisica teorica della materia condensata comprende due filoni di ricerca principali:

  1. Proprietà di trasporto su scala nano e micrometrica – Mentre la necessità di ottenere dispositivi sempre più miniaturizzati ci spinge a studiare il trasporto di carica alla nanoscala, occorre tenere in considerazione effetti quantistici. Nel nano-mondo la corrente elettrica si propaga in modo radicalmente diverso da quanto accade in dispositivi macroscopici. Lo spin elettronico, assieme alla coerenza quantistica aprono inoltre la strada a nuovi paradigmi per la computazione e i calcolatori quantistici, che rappresentano lo scopo ultimo delle tecniche di miniaturizzazione. Il nostro gruppo studia queste tematiche sfruttando un insieme di tecniche analitiche e numeriche.
  2. Proprietà strutturali e termodinamiche di nanoparticelle – I materiali, nella forma di particelle di dimensioni nanometriche, hanno proprietà sorprendentemente diverse da quelle hanno su scala macroscopica. La struttura delle nanoparticelle metalliche, per esempio, può essere molto diversa da quella dei materiali metallici che conosciamo. Questo ha importanti ripercussioni applicative, per esempio allo sviluppo di materiali catalizzatori. Il nostro gruppo usa strumenti computazionali per studiare la struttura geometrica delle nanoparticelle, e con modelli classici e quantistici facciamo previsioni sulla loro stabilità e sul loro comportamento al variare della temperatura.

Fisica nucleare e sub-nucleare

La fisica nucleare è la branca della Fisica che studia il nucleo atomico, i suoi costituenti, protoni e neutroni, e le loro interazioni; ha come obiettivo lo studio dei fenomeni nucleari, dei costituenti elementari dell’universo e delle loro interazioni. La complessità degli esperimenti da una parte e l’affinamento delle metodologie di ricerca dall’altra impone a chi è interessato a questi studi un’impostazione multidisciplinare: dalla teoria quantistica di campo alle tecniche d’analisi e d’acquisizione dei dati.

Si distingue dalla Fisica atomica, di cui è una sottobranca, che studia l’atomo nella sua interezza, e dalla Fisica delle particelle, che ha come oggetto lo studio delle singole particelle libere. Il termine fisica subnucleare, riferito allo studio delle particelle costituenti il nucleo, ha attualmente un uso meno frequente rispetto a quello più generale di fisica nucleare.

Fisica delle particelle elementari

La fisica delle particelle (elementari) è la branca sperimentale della fisica moderna che studia i costituenti e le interazioni fondamentali della materia e della radiazione.

Fisica dei sistemi complessi

È una branca relativamente recente della fisica moderna che studia appunto il comportamento fisico di sistemi complessi come ad esempio il sistema economico (econofisica) o il sistema climatico assunti come sistemi dinamici non lineari e a multicomponenti.

Fisica cibernetica

La fisica cibernetica, nata nella seconda metà del XX secolo, si è sviluppata a tal punto che è ora ricompresa all’interno di varie discipline tecnico-applicative quali l’automatica, la meccatronica e l’informatica (intelligenza artificiale).

Fisica medica

La fisica medica (anche detta fisica sanitaria) è quella disciplina scientifica per cui i concetti e le metodologie proprie della fisica sono applicati alla medicina.

Fisica matematica

La fisica matematica si occupa delle “applicazioni della matematica ai problemi della fisica e dello sviluppo di metodi matematici adatti alla formulazione di teorie fisiche e alle relative applicazioni”, utilizzando un formalismo matematico e gli strumenti forniti dalla matematica stessa. Dunque, in altre parole, i fenomeni naturali vengono osservati, misurati e poi analizzati grazie a vari strumenti matematici.

Astrofisica

L’Astrofisica (leggi approfondimento) è una scienza che applica la teoria e i metodi delle altre branche della Fisica per studiare gli oggetti di cui è composto l’universo, quali ad esempio le stelle, i pianeti, le galassie e i buchi neri.

Geofisica

La Geofisica (leggi approfondimento) (anche detta fisica terrestre) è una scienza di tipo preminentemente sperimentale, che si occupa in generale dell’applicazione di misure e metodi fisici allo studio delle proprietà e fenomeni fisici tipici del pianeta Terra.

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