Didattica della Fisica moderna B (20 ore) Laboratorio di Didattica

Didattica della Fisica moderna B (20 ore) Laboratorio di Didattica della Fisica moderna II B (10 ore)

Docente: A. Defendi

I due corsi, rivolti a laureati in Matematica e Ingegneria, sono strettamente correlati e intendono presentare gli aspetti essenziali, sia a livello formale che concettuale, della fisica quantistica, unitamente ad una serie di indicazioni utili ad una trasposizione didattica nella scuola secondaria superiore. Gli obiettivi generali dei corsi possono essere schematicamente ricondotti a tre gruppi: 1.

Mostrare come i modelli concettuali alla base della fisica classica -- il modello corpuscolare per la materia e il modello ondulatorio per la radiazione – si siano rivelati inadeguati e siano stati superati nell’ambito della fisica quantistica, della quale viene messo in luce il radicale cambiamento di paradigma.

2. Fornire gli strumenti matematici minimi per poter comprendere il quadro formale caratteristico della meccanica quantistica e accedere quindi alla vasta letteratura in materia, sia a livello di applicazioni che di interpretazioni. 3. Fornire la traccia di un possibile percorso didattico, per la presentazione di aspetti di fisica quantistica nella classe terminale di un liceo, che punti, non tanto sugli aspetti formali, quanto su quelli storici e concettuali, mettendo in evidenza la possibilità di effettuare molteplici riflessioni di natura filosofica.

Nei due corsi vengono trattati i seguenti argomenti: 

I modelli della fisica classica e il loro superamento o Il modello corpuscolare per la materia: descrizione di un sistema classico secondo le formulazioni lagrangiana e hamiltoniana, equazioni del moto, spazio delle configurazioni e delle fasi. o Il modello ondulatorio per la radiazione: da Huygens alla teoria elettromagnetica di Maxwell, il problema dell’etere. o Gli aspetti corpuscolari della radiazione: esame dell'effetto fotoelettrico e dell'effetto Compton. o Gli aspetti ondulatori della materia: esperimenti di interferenza e diffrazione di elettroni. o Inadeguatezza dei modelli classici di onda e corpuscolo nella descrizione dei fenomeni quantistici: l’esperimento con doppia fenditura e il cosiddetto dualismo onda-corpuscolo.

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Il formalismo della meccanica quantistica o La descrizione degli stati di un sistema quantistico: elementi di teoria degli spazi di Hilbert. o La descrizione delle variabili dinamiche quantistiche: elementi di teoria degli operatori lineari autoaggiunti. o La teoria della misura quantistica: la riduzione del pacchetto, osservabili compatibili e incompatibili, il ruolo dei commutatori, il principio di indeterminazione. o La teoria delle rappresentazioni: la rappresentazione delle posizioni e la forma esplicita delle variabili dinamiche. o L’evoluzione temporale degli stati: l’equazione di Schrödinger. o Un’applicazione: la descrizione dell’atomo di idrogeno.

Riferimenti bibliografici Un qualunque manuale di meccanica quantistica. Per una presentazione più contenuta che tratti sia gli aspetti formali che concettuali si può fare riferimento a G.C. Ghirardi, I fondamenti concettuali e le implicazioni epistemologiche della meccanica quantistica, con Appendice su Il linguaggio matematico della meccanica quantistica, in G. Boniolo (a cura di), Filosofia della fisica, Bruno Mondadori, 2000. Per una trattazione meno formale ma sempre rigorosa si può vedere G.C. Ghirardi, Un’occhiata alle carte di Dio, Net, 2003.