Highlighting Interdisciplinarity between Physics and Mathematics in Historical Papers on Special Relativity: Development of an Analytical Tool for Characterising Boundary Crossing Mechanisms

Questa tesi di laurea si colloca all'interno del progetto Erasmus + IDENTITIES, il cui obiettivo è sviluppare materiali didattici interdisciplinari per la formazione iniziale degli insegnanti. Nello specifico, si dà seguito ad una ricerca condotta da Lorenzo Miani, finalizzata a mettere in evidenza come la Teoria della Relatività Speciale (STR) sia storicamente nata da una speciale interazione tra matematica e fisica. Tale co-evoluzione è stata cercata, e messa in evidenza, attraverso l’analisi dei quattro articoli fondativi della STR scritti da Lorentz (1904), Poincaré (1906), Einstein (1905) e Minkowski (1908). Per l’analisi di questi articoli abbiamo utilizzato la metafora del “confine”, esposta nella metateoria di Akkerman e Bakker (2011), riferendosi al confine tra Matematica e Fisica. È stato sviluppato uno strumento operativo di analisi di articoli originali per estrarne il rapporto tra le due discipline. Un’analisi di questo tipo può portare un contributo considerevole al Justification Problem, intercettando la possibilità di indagare sull’identità della Matematica, intesa come disciplina. Questo tipo di analisi ha permesso di comprendere gli “stili al confine” di ogni autore, e la natura delle Trasformazioni di Lorentz in quanto oggetto di confine. È inoltre illustrata la progettazione di un’attività per la formazione iniziale degli insegnanti. Questa si configura come un tutorial per lavori di gruppo, ed è stata sperimentata nel corso di Didattica della Fisica dell’Università di Bologna, tenuto dalla Professoressa Olivia Levrini. Grazie all’attività, è stato possibile riflettere sulle identità disciplinari e sull’importanza di fare “esperienze di confine” per superare stereotipi. Lo strumento elaborato nella tesi si apre a sviluppi futuri, dal momento che si presta ad essere utilizzato per l’analisi di una grande varietà di testi e per la costruzione di “boundary zone”, sempre più auspicate e incentivate nei report europei.

Modified gravity with tensor computer algebra: a case study

Il modello ΛCDM è il modello cosmologico più semplice, ma finora più efficace, per descrivere l'evoluzione dell'universo. Esso si basa sulla teoria della Relatività Generale di Einstein e fornisce una spiegazione dell'espansione accelerata dell'universo introducendo la costante cosmologica Λ, che rappresenta il contributo della cosiddetta energia oscura, un'entità di cui ben poco si sa con certezza. Sono stati tuttavia proposti modelli teorici alternativi che descrivono gli effetti di questa quantità misteriosa, introducendo ad esempio gradi di libertà aggiuntivi, come nella teoria di Horndeski. L'obiettivo principale di questa testi è quello di studiare questi modelli tramite il tensor computer algebra xAct. In particolare, il nostro scopo sarà quello di implementare una procedura universale che permette di derivare, a partire dall'azione, le equazioni del moto e l'evoluzione temporale di qualunque modello generico.

Gravitational microscope in MACSJ1206: unveiling galaxy cluster member mass distribution

Gravitational lensing is a powerful tool to investigate the properties of the distribution of matter, be it barionic or dark. In this work we take advantage of Strong Gravitational Lensing to infer the properties of one of the galaxy-scale substructures that makes up the cluster MACSJ1206. It is relatively easy to model the morphology of the visible components of a galaxy, while the morphology of the dark matter distribution cannot be so easily constrained. Being sensitive to the whole mass, strong lensing provides a way to probe DM distribution, and this is the reason why it is the best tool to study the substructure. The goal of this work consists of performing an analysis of the substructure previously mentioned, an early type galaxy (ETG), by analyzing the highly magnified Einstein ring around it, in order to put stringent constraints on its matter distribution, that, for an ETG, is commonly well described by an isothermal profilele. This turns out to be interesting for three main different reasons. It is well known that galaxies in clusters are subject to interaction processes, both dynamic and hydrodynamic, that can significantly modify the distribution of matter within them. Therefore, finding a different profile from the one usually expected could be a sign that the galaxy has undergone processes that have changed its structure. Studying the mass distribution also means studying the dark matter component, which not only still presents great questions today, but which is also not obviously distributed in the same way as in an isolated galaxy. What emerges from the analysis is that the total mass distribution of the galaxy under examination turns out to have a slope much steeper than the isothermal usually expected.

One-loop quantum gravity in arbitrary dimensions

In the context of perturbative quantum gravity, the first three Seeley-DeWitt coefficients represent the counterterms needed to renormalize the graviton one-loop effective action in $D=4$ dimensions. A standard procedure to compute them is by means of the traditional heat kernel method. However, these coefficients can be studied also from a first quantization perspective through the so-called $\mathcal{N} = 4$ spinning particle model. It relies on four supersymmetries on the worldline and a set of worldline gauge invariances. In the present work, a different worldline model, able to reproduce correctly the Seeley-DeWitt coefficients in arbitrary dimensions, is developed. After a covariant gauge-fixing procedure of the Einstein-Hilbert action with cosmological constant, a worldline representation of the kinetic operators identified by its quadratic approximation is found. This quantum mechanical representation can be presented in different but equivalent forms. Some of these different forms are discussed and their equivalence is verified by deriving the gauge invariant counterterms needed to renormalize quantum gravity with cosmological constant at one-loop.

Effetti relativistici in astrofisica

Numerosi sono gli effetti astrofisici determinati dal moto relativo tra sorgente e osservatore, i quali pemettono non solo di inferire proprietà cinematiche degli oggetti studiati, ma addirittura caratterizanti della loro struttura e fenomenologia. Nonostante gran parte dei fenomeni in Astrofisica appartengano al regime newtoniano, esistono situazioni in cui si rende necessario l'intervento della relatività di Einstein al fine di comprenderle nella maniera più completa. La branca dell'Astrofisica che si occupa dello studio di questi oggetti tanto peculiari è detta Astrofisica delle alte energie. In seguito verrano presentati i principali strumenti offerti dalla relatività, sia nel caso speciale che in quello più generale, per trattatare effetti quali il beaming, l'effetto doppler, il redshift gravitazionale e il lensing. Per quanto riguarda il beaming e l'effetto doppler, verrà affrontata con particolare riguardo la radiazione di sincrotrone e la sua polarizzazione, come questi influenzano la struttura delle righe del ferro nei dischi di accrescimento in AGN e i moti superluminali. In conclusione si tratteranno i moti superluminali.

Righe spettrali: formazione, shift e allargamento

Tutte le informazioni riguardanti le proprietà fisiche delle stelle derivano più o meno direttamente dallo studio dei loro spettri. La luce, infatti, contiene informazioni estremamente dettagliate sulla sorgente da cui è stata prodotta. In particolare, lo studio dell’intensità delle righe spettrali di assorbimento permette di ricavare informazioni su composizione, temperatura, abbondanze chimiche, movimenti, pressione e campi ma- gnetici delle stelle. La forma delle righe, inoltre, contiene informazioni sui processi che avvengono nelle atmosfere stellari. L’elaborato è suddiviso in tre sezioni: nel primo capitolo verranno descritti i meccanismi di interazione radiazione-materia alla base della formazione delle righe spettrali. Nel secondo capitolo sarà analizzato il fenomeno dello shift che caratterizza gli spettri stellari. Nel terzo capitolo, infine, si tratterà di tutti quei processi che contribuiscono all’allargamento delle righe spettrali.