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“Se in un cataclisma andasse distrutta tutta la conoscenza
scientifica, e soltanto una frase potesse essere trasmessa alle
generazioni successive, quale affermazione conterrebbe la
massima quantità di informazioni nel numero minimo di
parole? Io credo che sarebbe l'ipotesi atomica (o dato di
fatto atomico, o comunque vogliamo chiamarlo) secondo
cui tutte le cose sono fatte di atomi, piccole particelle che si
agitano con un moto perpetuo, attraendosi quando sono un
po’ distanti una dall'altra, ma respingendosi quando sono
schiacciate una contro l'altra. In questa singola frase c'è
un'enorme quantità di informazione sul mondo che ci
circonda, se soltanto ci si riflette sopra con un po’ di
immaginazione.”
Richard Feynman, Sei pezzi facili
.
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Due “rivoluzioni scientifiche” stanno alla base della
FISICA MODERNA – entrambe occorse nella prima
meta’ del 20esimo secolo.
Tutto cio’ e’ accaduto quando i fisici hanno provato
(e riuscito) di estendere le leggi delle fisica OLTRE
l’esperienza di ogni giorno, oltre il senso comune
Hanno “partorito”:
• La teoria della Relativita’
• La Meccanica Quantistica
” Non troverai mai la
verità se non sei disposto
ad accettare anche ciò che
non ti aspetti “. Eraclito
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Per descrivere il comportamento dei “corpi” che si muovono molto velocemente.
La relativita’ speciale
– Nessun corpo (oggetto) puo muoversi con una velocita’ maggiore della luce
– La massa rappresenta una forma di energia
E = m c2
La relativita’ generale
– Comprende gli effetti della forza di gravita’; descrive l’espansione dell’Universo, i buchi neri, etc.
Einstein nel 1905, all’eta’ di 26 anni
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BUT at very high speed (-> light speed)
Strange things happen….
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Earth was supposed to move in ether
t1 : B – E – B
t2 : B – C – B
B
C
E
L
L
D F
in fase
Interferometer
u
E’ B’
C’
F’ D’
sfasati
Michelson & Morley (1887)
2L / c
1 – u2 / c2 t1 =
2L / c t2 =
(1 – u2 / c2 ) ½
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Experimental observation:
∆t =t1-t2 = 0
Light speed is the same no effect due to Earth
moving in ether
Two possible alternatives:
1) Light does not propagate in the same way in various
reference systems – not same physics (Maxwewll laws)
2) Galileian transformations are not valid!
Michelson & Morley
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Einstein
(1905)
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Theory of relativity – postulates:
P1 - laws of physics are the same in all inertial reference
systems IRF
Than Maxwell eq. are ok if and only if:
P2 - speed of light is the SAME in all IRS
Ether does not exist (not necessary)
Einstein (1905)
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Contrazione delle lunghezze
• 10% velocita’ della luce
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Contrazione delle lunghezze
• 86% velocita’ della luce
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Contrazione delle lunghezze
• 99% velocita’ della luce
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Contrazione delle lunghezze
• 99.99% velocita’ della luce
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Les Demoiselles
d'Avignon:
Picasso's 1907
excursion into
a fourth dimension
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Girl in a chair
Picasso's 1907
indagine nella
quarta dimensione
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The Persistence of memory, Salvador Dali, 1931
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Descrive il comportamento di “oggetti” molto piccoli
Principio di indeterminazione di Heisenberg:
- Tanto piu’ precisamente conosciamo la posizione di un oggetto, tanto meno precisamente conosciamo il suo impulso
Per la descrizione di oggetti come l’atomo, e/o ancora piu’ piccoli (particelle), c’e’ bisogno della meccanica quantistica.
Heisenberg nel 1925, all’eta’ di 24 anni
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Conferenza di Solvay (1927)
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Interferenza a singola particella
parete a
2 fenditure
Sorgente
A
B
schermo
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Interferenza a singola particella
parete
Sorgente
A
B
otturatore
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Interferenza a singola particella
parete
Sorgente
Probabilità
di rivelare
una particella
PA(x)
A
B
otturatore
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Interferenza a singola particella
parete
Sorgente Probabilità
di rivelare
una particella
PB(x)
A
B
otturatore
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Comportamento “classico”
parete
Sorgente
A
B Probabilità
di rivelare
una particella
P(x) = PA(x) + PB(x)
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Interferenza quantistica
A
B
Probabilità totale
di rivelare
una particella
P(x)
Frange di
interferenza
Da quale fenditura passa il fotone ? Da entrambe !
Sorgente
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Interferenza da due sorgenti
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Onda come Particella effetto
fotoelettrico
Einstein (1905) : assorbimento di onde in
pacchetti discreti di energia (fotoni)
Particella come Onda fenomeni
d’interferenza
Davisson & Germer (1927) : esperimenti di
interferenza e diffrazione con fasci di elettroni
Onde & Particelle
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LA FUNZIONE D’ONDA
Fisica classica: stato di una particella descritto dalla posizione r e dalla
sua velocità v
Fisica quantistica: stato di una particella descritto dalla sua FUNZIONE
D’ONDA r), funzione a valori complessi delle tre coordinate spaziali,
che fornisce la chiave per spiegare il dualismo onda-particella
Significato fisico: il suo modulo quadrato dà la PROBABILITÀ di
trovare la particella nella posizione r.
La probabilità compare a livello fondamentale: la
teoria quantistica fa predizioni sulla probabilità
dei possibili risultati di una misura; non può
predire quale sarà esattamente il risultato di tale
misura. Le verifiche sperimentali devono essere
sempre di natura statistica.
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L’ EQUAZIONE DI SCHRÖDINGER
IL CASO DELLA PARTICELLA LIBERA
Schrödinger
1926 Onda piana
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Complementarità e figure ambigue
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“Le nostre prospettive scientifiche sono ormai agli
antipodi fra loro. Tu ritieni che Dio giochi a dadi con il
mondo: io credo invece che tutto obbedisca ad una legge,
in un mondo di realtà obiettive, che cerco di afferrare per
via totalmente speculativa. Lo credo fermamente, ma
spero che qualcuno scopra una strada più realistica o
meglio un fondamento più tangibile di quanto non abbia
saputo fare io. Nemmeno il grande successo iniziale della
teoria dei quanti riesce a convincermi che alla base di tutto
vi sia la casualità, anche se so bene che i colleghi più
giovani considerano questo atteggiamento come un
effetto di arteriosclerosi. Un giorno si saprà quale di questi
due atteggiamenti istintivi sarà stato quello giusto."
Albert Einstein (1926 – Lettera a Max Born)
Einstein pero’
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Tutta una serie di interpretazioni della meccanica quantistica:
-De Broglie – Bohm
- Many-World Interpretations
-Collasso della funzione d’onda
-.....
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Einstein – l’ultima lavagna
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Nel fratempo, le tecnologie basate sulla meccanica
quantistica e i suoi aparenti paradossi, come e’ stato
ampiamente riconosciuto dall’assegnazione del premio
Nobel per la Fisica nel 2012 a Serge Haroche e David
Wineland, aprono la strada ai computer quantistici, al
teletrasporto e, perche’ no, a un mondo in cui il gatto
di Schrodinger si comporta piu’ come il gatto del
Cheshire incontrato da Alice nel paese delle
meraviglie
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60
TELETRASPORTO: REALTA’ O FANTASCIENZA? (Nobel Fisica 2012 – meccanica
quantistica)
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Luna:
BOB
Marte:
ALICE
BABAHVVH
2 fotoni nello stato
B
A
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Teletrasporto quantistico
SSS10
BOB
B A
S
B
ALICE
VICTOR
BABAAB
01102
1
UB
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http://quantumoptics.phys.uniroma1.it
Teletrasporto dello stato di un fotone
(Roma -1997)
ALICE
BOB S
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64
Nobel 2012
Serge Haroche
David Wineland
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Opportunita’ sfruttamdo meccanica quantistica:
Teletrasporto, computer quantistici,…
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“Chi non resta sbalordito dalla meccanica quantistica evidentemente non la capisce”
Niels Bohr, 1927
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L’atomo all’inizio del ‘900 L’atomo di Thompson
L’atomo di Rutherford e Bohr
L’atomo quantistico
La struttura del nucleo Il nucleo oggi
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Higgs
Boson
Z bosone
W bosone
g fotone
g gluone
t tau
n t t-neutrino
b bottom
t top
m muone
n m m-neutrino
s strange
c charm
e elettrone
ne e-neutrino
d down
up u
Lepto
ns
Quark
s
!!!
Fermions Bosons
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Creation (Michelangelo Buonarroti, 1475 - 1564)
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La Storia dell’Universo
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Nel principio di Primo Levi
Fratelli umani a cui è lungo un anno,
Un secolo un venerando traguardo,
Affaticati per il vostro pane,
Stanchi, iracondi, illusi, malati, persi:
Udite, e vi sia consolazione e scherno:
Venti miliardi d'anni prima d'ora,
Splendido, liberato nello spazio e nel tempo,
Era un globo di fiamma, solitario, eterno,
Nostro padre comune e nostro carnefice,
Ed esplose, ed ogni mutamento prese inizio.
Ancora, di quest'una catastrofe rovescia
L'eco tenue risuona dagli ultimi confini.
Da quell'ultimo spasimo tutto è nato:
Lo stesso abisso che ci avvolge e ci sfida,
Lo stesso tempo che ci partorisce e travolge,
Ogni cosa che ognuno ha pensato,
Gli occhi di ogni donna che abbiamo amato,
E mille e mille soli, e questa
Mano che scrive. .
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• Cos'è la massa? Sappiamo come misurarla, ma da cosa è
determinata?
• Qual è l'origine della massa? In particolare, esiste il
bosono di Higgs??
• Qual è l'origine della massa dei barioni? Generando del
plasma di quark e gluonisi verificherà l'origine non-
perturbativa di una larga frazione della massa
dell'universo?
• Perché le particelle elementari presentano masse
diverse? In altri termini, le particelle interagiscono con il
campo di Higgs?
Fisica LHC (1)
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Large Hadron Collider
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Large Hadron Collider
Nello stesso tunnel di LEP:
4 esperimenti:
- ATLAS, CMS “general pourpuse”
- ALICE ioni pesanti
- LHCb fisica del b
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J. Nielsen 76
Large Hadron Collider at CERN
Italy
p p 14 TeV
ATLAS CMS
Luminosity target: 1034cm-2 s-1
Increased production of heavy
particles like Higgs, top quark
More particles at higher energy
requires new detector design
and technology
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J. Nielsen 77
ATLAS Experiment at LHC
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J. Nielsen 78
ATLAS Experiment at LHC
ATLAS
collaborator
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J. Nielsen 79
ATLAS DETECTOR
Nov. 2005
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J. Nielsen 80
Installation of inner
detector end-cap
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All permeating Higgs field
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All permeating Higgs field
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All permeating Higgs field
The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to
François Englert and Peter W. Higgs "for the theoretical
discovery of a mechanism that contributes to our
understanding of the origin of mass of subatomic particles,
and which recently was confirmed through the discovery of the
predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS
experiments at CERN's Large Hadron Collider“ – Francois
Englert, Peter Higgs
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Large Hadron Collider
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Large Hadron Collider - ATLAS
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Large Hadron Collider - CMS
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J. Nielsen 88
Higgs Decay to Photons
Rare decay in SM
LHC detectors have
been optimized to find
this peak!
H t
t
g
g
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J. Nielsen 89
Higgs Decay to ZZ
Requires precise measurement of muon curvature
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Large Hadron Collider - ALICE
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LHC e ATLAS: selezione eventi
interessanti
800 milioni di collisioni al secondo. Solo una decina con “lampi” interessanti.
E’ come cercare un ago in un pagliaio.
![Page 92: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/92.jpg)
10 anni luce
![Page 93: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/93.jpg)
100 anni luce
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1000 a. l.
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10 000 a. l.
![Page 96: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/96.jpg)
100 000 a. l.
![Page 97: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/97.jpg)
1000 000 a. l.
![Page 98: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/98.jpg)
10 000 000 a. l.
![Page 99: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/99.jpg)
100 000 000 a. l.
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1 miliardo a. l.
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![Page 103: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/103.jpg)
Differenza abissale tra
la materia ordinaria e quella collassata
![Page 104: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/104.jpg)
10-15 m
10-10 m
Se il nucleo atomico fosse grosso come
me l’elettrone sarebbe una zanzara che
ruota intorno a me su un cerchio con un
diametro Firenze-Corsica. L’altro
uomo-nucleo vivrebbe nel Lazio con
una zanzara a 100 km……. La materia
ordinaria è quindi VUOTA (Ordinary Matter is Empty)
Differenza abissale tra
la materia ordinaria e quella collassata
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10-15 m
10-10 m
La materia collassata ha tutti i nuclei (o
meglio i neutroni – ma non importa)
uno accanto all’altro………
(Collapsed Matter is Full)
Differenza abissale tra
la materia ordinaria e quella collassata
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EXERCISE:
How much is the weight of a milk-shake made of collapsed matter?
Pesa 100 Miliardi
di Tonnellate !!!
Le pulsar sono oggetti con queste densità con 20 km di raggio che
possono
compiere decine e centinaia di giri al secondo su loro stesse
Anche la velocità è un parametro da cui dipende l’emissione
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![Page 108: PowerPoint Presentation · Splendido, liberato nello spazio e nel tempo, Era un globo di fiamma, solitario, eterno, Nostro padre comune e nostro carnefice, Ed esplose, ed ogni mutamento](https://reader034.vdocuments.mx/reader034/viewer/2022042321/5f0ac7157e708231d42d4add/html5/thumbnails/108.jpg)
• Sappiamo ora che il 95% della massa dell‘universo non è
costituita da materia simile a quella che conosciamo da tempo. Di
che si tratta? In altre parole, cosa sono la materia oscura e
l'energia oscura?
• Esistono le particelle supersimmetriche (SUSY)?
• Esistono le extradimensioni previste da vari modelli emersi dalla
teoria delle stringhe? E possiamo "vederle" in qualche modo? – si
BUCHI NERI – per noi UN FATTO POSITIVO
• Quali sono le caratteristiche della violazione CP che possono
spiegare la dissimmetria tra materia e antimateria, cioè la quasi
assenza di antimateria nell'universo?
• Cosa si può conoscere con maggiori dettagli di oggetti già noti
(come il quark top)?
• Verificare sperimentalmente la teoria delle stringhe?
Fisica LHC (2)
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Fisica LHC (3)
Unexpected…
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Einstein – l’ultima lavagna
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Le particelle sono veramente puntiformi ?
Teoria delle Stringhe
ulteriore livello
microscopico: particelle
non sono puntiformi, ma
piccoli (10-33 cm) anelli
oscillanti
diversi stati di oscillazione
della stringa
particelle diverse
Questioni Aperte
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NAUTILUS
ATLAS
Auditorium
ADA e ADONE
OPERA
DAFNE
Centro di
Calcolo
FISA
BTF DAFNE-L
FINUDA
DEAR
Laboratori Nazionali di Frascati, info: http://www.lnf.infn.it/sis/
KLOE
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Feynman A mite makes the sea roar.
Deep in the sea
all molecules repeat
the patterns of another
till complex new ones are formed.
They make others like themselves
and a new dance starts.
Growing in size and complexity
living things
masses of atoms
DNA, protein
dancing a pattern ever more intricate.
Out of the cradle
onto dry land
here it is
standing:
atoms with consciousness;
matter with curiosity.
Stands at the sea, wondering: I
a universe of atoms
an atom in the universe.
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Einstein
“L’esperienza piu’ bella
che possiamo avere e’ il
mistero. E’ l’emozione
fondamentale alla base
della vera arte e della
vera scienza. Chi non sa
cos’e’ e non sa piu’
sognare o meravigliarsi,
e’ come morto, e il suo
sguardo e’ spento.”
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Libri • Un occhiata alle carte di Dio, Giancarlo
Ghirardi
• Il velo di Einstein, Anton Zeilinger
• La Luna nel pozzo
• Personaggi e scoperte della fisica, Emilio
Segre’
• Il libro degli Universi, John Barrow
• Bussando alle porte del cielo, Lisa Randall
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