Il ruolo della metafora nella comunicazione della fisica contemporanea

Il presente lavoro si rivolge all’analisi del ruolo delle forme metaforiche nella divulgazione della fisica contemporanea. Il focus è sugli aspetti cognitivi: come possiamo spiegare concetti fisici formalmente complessi ad un audience di non-esperti senza ‘snaturarne’ i significati disciplinari (comunicazione di ‘buona fisica’)? L’attenzione è sulla natura stessa della spiegazione e il problema riguarda la valutazione dell’efficacia della spiegazione scientifica a non-professionisti. Per affrontare tale questione, ci siamo orientati alla ricerca di strumenti formali che potessero supportarci nell’analisi linguistica dei testi. La nostra attenzione si è rivolta al possibile ruolo svolto dalle forme metaforiche nella costruzione di significati disciplinarmente validi. Si fa in particolare riferimento al ruolo svolto dalla metafora nella comprensione di nuovi significati a partire da quelli noti, aspetto fondamentale nel caso dei fenomeni di fisica contemporanea che sono lontani dalla sfera percettiva ordinaria. In particolare, è apparsa particolarmente promettente come strumento di analisi la prospettiva della teoria della metafora concettuale. Abbiamo allora affrontato il problema di ricerca analizzando diverse forme metaforiche di particolare rilievo prese da testi di divulgazione di fisica contemporanea. Nella tesi viene in particolare discussa l’analisi di un case-study dal punto di vista della metafora concettuale: una analogia di Schrödinger per la particella elementare. I risultati dell’analisi suggeriscono che la metafora concettuale possa rappresentare uno strumento promettente sia per la valutazione della qualità delle forme analogiche e metaforiche utilizzate nella spiegazione di argomenti di fisica contemporanea che per la creazione di nuove e più efficaci metafore. Inoltre questa prospettiva di analisi sembra fornirci uno strumento per caratterizzare il concetto stesso di ‘buona fisica’. Riteniamo infine che possano emergere altri risultati di ricerca interessanti approfondendo l’approccio interdisciplinare tra la linguistica e la fisica.

Sistemi tecnologici innovativi di involucro per il recupero del patrimonio edilizio recente. L'edilizia scolastica nel Comune di Bologna

La ricerca è volta a presentare un nuovo approccio integrato, a supporto di operatori e progettisti, per la gestione dell’intero processo progettuale di interventi di riqualificazione energetica e architettonica del patrimonio edilizio recente, mediante l’impiego di soluzioni tecnologiche innovative di involucro edilizio. Lo studio richiede necessariamente l’acquisizione di un repertorio selezionato di sistemi costruttivi di involucro, come base di partenza per l’elaborazione di soluzioni progettuali di recupero delle scuole appartenenti al secondo dopoguerra, in conglomerato cementizio armato, prevalentemente prefabbricate. Il progetto individua procedimenti costruttivi ecocompatibili per la progettazione di componenti prefabbricati di involucro “attivo”, adattabile ed efficiente, da assemblare a secco, nel rispetto dei requisiti prestazionali richiesti dalle attuali normative. La ricerca è finalizzata alla gestione dell’intero processo, supportato da sistemi di rilevazione geometrica, collegati a software di programmazione parametrica per la modellazione di superfici adattabili alla morfologia dei fabbricati oggetto di intervento. Tali strumenti informatizzati CAD-CAM sono connessi a macchine a controllo numerico CNC per la produzione industrializzata degli elementi costruttivi “su misura”. A titolo esemplificativo dell’approccio innovativo proposto, si formulano due possibili soluzioni di involucro in linea con i paradigmi della ricerca, nel rispetto dei principi di sostenibilità, intesa come modularità, rapidità di posa, reversibilità, recupero e riciclo di materiali. In particolare, le soluzioni innovative sono accomunate dall’applicazione di una tecnica basata sull’assemblaggio di elementi prefabbricati, dall’adozione di una trama esagonale per la tassellazione della nuova superficie di facciata, e dall’utilizzo del medesimo materiale termico isolante, plastico e inorganico, riciclato ed ecosostenibile, a basso impatto ambientale (AAM - Alkali Activated Materials). Le soluzioni progettuali proposte, sviluppate presso le due sedi coinvolte nella cotutela (Università di Bologna, Université Paris-Est) sono affrontate secondo un protocollo scientifico che prevede: progettazione del sistema costruttivo, analisi meccanica e termica, sperimentazione costruttiva, verifica delle tecniche di messa in opera e dei requisiti prestazionali.

Random lattice models

This thesis deals with three different physical models, where each model involves a random component which is linked to a cubic lattice. First, a model is studied, which is used in numerical calculations of Quantum Chromodynamics.In these calculations random gauge-fields are distributed on the bonds of the lattice. The formulation of the model is fitted into the mathematical framework of ergodic operator families. We prove, that for small coupling constants, the ergodicity of the underlying probability measure is indeed ensured and that the integrated density of states of the Wilson-Dirac operator exists. The physical situations treated in the next two chapters are more similar to one another. In both cases the principle idea is to study a fermion system in a cubic crystal with impurities, that are modeled by a random potential located at the lattice sites. In the second model we apply the Hartree-Fock approximation to such a system. For the case of reduced Hartree-Fock theory at positive temperatures and a fixed chemical potential we consider the limit of an infinite system. In that case we show the existence and uniqueness of minimizers of the Hartree-Fock functional. In the third model we formulate the fermion system algebraically via C*-algebras. The question imposed here is to calculate the heat production of the system under the influence of an outer electromagnetic field. We show that the heat production corresponds exactly to what is empirically predicted by Joule's law in the regime of linear response.

Applicazioni della geometria simplettica alla risoluzione delle equazioni iconali

La tesi affronta il problema della risoluzione delle equazioni di tipo iconale, introducendo delle metodologie simplettiche, ovvero tramite l'uso di sottovarietà Lagrangiane. Si guarda nello specifico alla risoluzione dell'equazione agli autovalori di Schrödinger in una e più dimensioni, mostrando la tecnica approssimativa WKB.

Orbitali molecolari di legame e antilegame per lo ione molecolare idrogeno H2+: risoluzione esatta e approssimazione LCAO

In questo lavoro di tesi si intende fornire un'analisi in chiave quantomeccanica di una serie di caratteristiche della molecola di idrogeno ionizzata. Il fatto che l'equazione di Schrödinger per l'elettrone sia nel caso di H2+ risolvibile in maniera esatta rende questo sistema fisico un prezioso banco di prova per qualsiasi metodo di approssimazione. Il lavoro svolto in questa trattazione consisterà proprio nella risoluzione dell'equazione d'onda per l'elettrone nel suo stato fondamentale, dapprima in maniera esatta poi mediante LCAO, e successivamente nell'analisi dei risultati ottenuti, che verranno dapprima discussi e interpretati in chiave fisica, e infine messi a confronto per la verifica della bontà dell'approssimazione. Il metodo approssimato fornirà approssimazioni relative anche al primo stato elettronico eccitato; anche questo verrà ampiamente discusso, e ci si soffermerà in particolare sulla caratterizzazione di orbitali di "legame" e di "antilegame", e sul loro rapporto con la stabilità dello ione molecolare.

Fasi geometriche, fase di Berry ed effetto Aharonov-Bohm

Un sistema sottoposto ad una lenta evoluzione ciclica è descritto da un'Hamiltoniana H(X_1(t),...,X_n(t)) dipendente da un insieme di parametri {X_i} che descrivono una curva chiusa nello spazio di appartenenza. Sotto le opportune ipotesi, il teorema adiabatico ci garantisce che il sistema ritornerà nel suo stato di partenza, e l'equazione di Schrödinger prevede che esso acquisirà una fase decomponibile in due termini, dei quali uno è stato trascurato per lungo tempo. Questo lavoro di tesi va ad indagare principalmente questa fase, detta fase di Berry o, più in generale, fase geometrica, che mostra della caratteristiche uniche e ricche di conseguenze da esplorare: essa risulta indipendente dai dettagli della dinamica del sistema, ed è caratterizzata unicamente dal percorso descritto nello spazio dei parametri, da cui l'attributo geometrico. A partire da essa, e dalle sue generalizzazioni, è stata resa possibile l'interpretazione di nuovi e vecchi effetti, come l'effetto Aharonov-Bohm, che pare mettere sotto una nuova luce i potenziali dell'elettromagnetismo, e affidare loro un ruolo più centrale e fisico all'interno della teoria. Il tutto trova una rigorosa formalizzazione all'interno della teoria dei fibrati e delle connessioni su di essi, che verrà esposta, seppur in superficie, nella parte iniziale.

Stime Integrali su Gruppi di Tipo H e Principio Forte di Continuazione Unica

Lo scopo di questa tesi è dimostrare il Principio Forte di Continuazione Unica per opportune soluzioni di un'equazione di tipo Schrödinger Du=Vu, ove D è il sub-Laplaciano canonico di un gruppo di tipo H e V è un potenziale opportuno. Nel primo capitolo abbiamo esposto risultati già noti in letteratura sui gruppi di tipo H: partendo dalla definizione di tali gruppi, abbiamo fornito un'utile caratterizzazione in termini "elementari" che permette di esplicitare la soluzione fondamentale dei relativi sub-Laplaciani canonici. Nel secondo capitolo abbiamo mostrato una formula di rappresentazione per funzioni lisce sui gruppi di tipo H, abbiamo dimostrato una forma forte del Principio di Indeterminazione di Heisenberg (sempre nel caso di gruppi di tipo H) e abbiamo fornito una formula per la variazione prima dell'integrale di Dirichlet associato a Du=Vu. Nel terzo capitolo, infine, abbiamo analizzato le proprietà di crescita di funzioni di frequenza, utili a dimostrare le stime integrali che implicano in modo piuttosto immediato il Principio Forte di Continuazione Unica, principale oggetto del nostro studio.

Holographic renormalization for z = 2 Lifshitz spacetimes from AdS

Lifshitz spacetimes with the critical exponent z = 2 can be obtained by the dimensional reduction of Schrödinger spacetimes with the critical exponent z = 0. The latter spacetimes are asymptotically AdS solutions of AdS gravity coupled to an axion–dilaton system and can be uplifted to solutions of type IIB supergravity. This basic observation is used to perform holographic renormalization for four-dimensional asymptotically z = 2 locally Lifshitz spacetimes by the Scherk–Schwarz dimensional reduction of the corresponding problem of holographic renormalization for five-dimensional asymptotically locally AdS spacetimes coupled to an axion–dilaton system. We can thus define and characterize a four-dimensional asymptotically locally z = 2 Lifshitz spacetime in terms of five-dimensional AdS boundary data. In this setup the four-dimensional structure of the Fefferman–Graham expansion and the structure of the counterterm action, including the scale anomaly, will be discussed. We find that for asymptotically locally z = 2 Lifshitz spacetimes obtained in this way, there are two anomalies each with their own associated nonzero central charge. Both anomalies follow from the Scherk–Schwarz dimensional reduction of the five-dimensional conformal anomaly of AdS gravity coupled to an axion–dilaton system. Together, they make up an action that is of the Horava–Lifshitz type with a nonzero potential term for z = 2 conformal gravity.

Lifshitz holographic renormalization from anti-de Sitter 1

Lifshitz space–times with critical exponent z = 2 can be obtained by dimensional reduction of Schrödinger space–times with critical exponent z = 0. The latter space–times are asymptotically anti-de Sitter (AdS) solutions of AdS gravity coupled to an axion–dilaton system (or even just a massless scalar field). This basic observation is used to perform holographic renormalization for four-dimensional asymptotically locally Lifshitz space–times by dimensional reduction of the corresponding problem of holographic renormalization for five-dimensional asymptotically AdS space–times coupled to an axion–dilaton system. In this setup the four-dimensional structure of the Lifshitz – Fefferman-Graham expansion and the structure of the counterterm action, including the scale anomaly, will be summarized.

From Complex to Stochastic Potential: Heavy Quarkonia in the Quark-Gluon Plasma

The in-medium physics of heavy quarkonium is an ideal proving ground for our ability to connect knowledge about the fundamental laws of physics to phenomenological predictions. One possible route to take is to attempt a description of heavy quark bound states at finite temperature through a Schrödinger equation with an instantaneous potential. Here we review recent progress in devising a comprehensive approach to define such a potential from first principles QCD and extract its, in general complex, values from non-perturbative lattice QCD simulations. Based on the theory of open quantum systems we will show how to interpret the role of the imaginary part in terms of spatial decoherence by introducing the concept of a stochastic potential. Shortcomings as well as possible paths for improvement are discussed.

Excitation and charge transfer in H-H+ collisions at 5-80 keV and application to astrophysical shocks

In astrophysical regimes where the collisional excitation of hydrogen atoms is relevant, the cross-sections for the interactions of hydrogen atoms with electrons and protons are necessary for calculating line profiles and intensities. In particular, at relative velocities exceeding ∼1000 km s−1, collisional excitation by protons dominates over that by electrons. Surprisingly, the H–H+ cross-sections at these velocities do not exist for atomic levels of n≥ 4, forcing researchers to utilize extrapolation via inaccurate scaling laws. In this study, we present a faster and improved algorithm for computing cross-sections for the H–H+ collisional system, including excitation and charge transfer to the n≥ 2 levels of the hydrogen atom. We develop a code named BDSCX which directly solves the Schrödinger equation with variable (but non-adaptive) resolution and utilizes a hybrid spatial-Fourier grid. Our novel hybrid grid reduces the number of grid points needed from ∼4000n6 (for a ‘brute force’, Cartesian grid) to ∼2000n4 and speeds up the computation by a factor of ∼50 for calculations going up to n= 4. We present (l, m)-resolved results for charge transfer and excitation final states for n= 2–4 and for projectile energies of 5–80 keV, as well as fitting functions for the cross-sections. The ability to accurately compute H–H+ cross-sections to n= 4 allows us to calculate the Balmer decrement, the ratio of Hα to Hβ line intensities. We find that the Balmer decrement starts to increase beyond its largely constant value of 2–3 below 10 keV, reaching values of 4–5 at 5 keV, thus complicating its use as a diagnostic of dust extinction when fast (∼1000 km s−1) shocks are impinging upon the ambient interstellar medium.

A relation between screening masses and real-time rates

Thermal screening masses related to the conserved vector current are determined for the case that the current carries a non-zero Matsubara frequency, both in a weak-coupling approach and through lattice QCD. We point out that such screening masses are sensitive to the same infrared physics as light-cone real-time rates. In particular, on the perturbative side, the inhomogeneous Schrödinger equation determining screening correlators is shown to have the same general form as the equation implementing LPM resummation for the soft-dilepton and photon production rates from a hot QCD plasma. The static potential appearing in the equation is identical to that whose soft part has been determined up to NLO and on the lattice in the context of jet quenching. Numerical results based on this potential suggest that screening masses overshoot the free results (multiples of 2πT) more strongly than at zero Matsubara frequency. Four-dimensional lattice simulations in two-flavour QCD at temperatures of 250 and 340 MeV confirm the non-static screening masses at the 10% level. Overall our results lend support to studies of jet quenching based on the same potential at T ≳ 250 MeV.

Asymptotic freedom, dimensional transmutation, and an infrared conformal fixed point for the δ-function potential in one-dimensional relativistic quantum mechanics

We consider the Schrödinger equation for a relativistic point particle in an external one-dimensional δ-function potential. Using dimensional regularization, we investigate both bound and scattering states, and we obtain results that are consistent with the abstract mathematical theory of self-adjoint extensions of the pseudodifferential operator H=p2+m2−−−−−−−√. Interestingly, this relatively simple system is asymptotically free. In the massless limit, it undergoes dimensional transmutation and it possesses an infrared conformal fixed point. Thus it can be used to illustrate nontrivial concepts of quantum field theory in the simpler framework of relativistic quantum mechanics.

Eigenvalue estimates for non-selfadjoint Dirac operators on the real line

We show that the non-embedded eigenvalues of the Dirac operator on the real line with complex mass and non-Hermitian potential V lie in the disjoint union of two disks, provided that the L1-norm of V is bounded from above by the speed of light times the reduced Planck constant. The result is sharp; moreover, the analogous sharp result for the Schrödinger operator, originally proved by Abramov, Aslanyan and Davies, emerges in the nonrelativistic limit. For massless Dirac operators, the condition on V implies the absence of non-real eigenvalues. Our results are further generalized to potentials with slower decay at infinity. As an application, we determine bounds on resonances and embedded eigenvalues of Dirac operators with Hermitian dilation-analytic potentials.

On the similarity of Sturm-Liouville operators with non-Hermitian boundary conditions to self-adjoint and normal operators

We consider one-dimensional Schrödinger-type operators in a bounded interval with non-self-adjoint Robin-type boundary conditions. It is well known that such operators are generically conjugate to normal operators via a similarity transformation. Motivated by recent interests in quasi-Hermitian Hamiltonians in quantum mechanics, we study properties of the transformations and similar operators in detail. In the case of parity and time reversal boundary conditions, we establish closed integral-type formulae for the similarity transformations, derive a non-local self-adjoint operator similar to the Schrödinger operator and also find the associated “charge conjugation” operator, which plays the role of fundamental symmetry in a Krein-space reformulation of the problem.