viene proposto il modello standard di evoluzione dell'Universo con riferimento ad alcune tematiche particolari

1. LA MISURA DELLO
SPAZIO-TEMPO
Mario Sandri
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2. Belle sono le cose che vediamo,
Ancor più belle quelle che comprendiamo,
ma di gran lunga le più belle
sono quelle che non comprendiamo.
Nicola Stenone, 1638-1686
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3. Cos’è la cosmologia
La cosmologia è la
scienza che studia
l’origine, l’evoluzione,
la struttura e le
proprietà
dell'universo.
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4. Le domande
• Come è fatto
l’Universo ?
• Come è nato
l’Universo ?
• Come evolve
l’Universo ?
• Perché è nato
l’Universo ?
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5. Le cosmologie del passato
• Greci
• Romani
• Cinesi
• Egizi
• Maya
• Inca
• Arabi
• …
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6. Cosmologia
L’inizio della cosmologia moderna risale
all’inizio del secolo scorso. Prima la
cosmologia era dominata dalla
speculazione mitologica, successivamente
il piano si é spostato al mondo fisico-
scientifico. La scoperta fondamentale é
stata l’espansione dell’universo), da cui
sono derivate la previsione e in seguito la
scoperta della radiazione fossile di fondo.
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7. Le tappe della cosmologia
moderna
• 1916 Einstein – Teoria della Relatività
Generale
• 1929 Hubble – Espansione universo
• 1948 Alpher, Herman e Gamow – Teoria
del Big Bang
• 1948 Bondi, Hoyle e Gold – Teoria dello
stato stazionario
• 1965 Penzias & Wilson – Radiazione
fossile di fondo
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8. Einstein
Nel 1916 nella memoria
intitolata: Die Grundlagen der
allgemeinen
Relativitätstheorie, espose in
forma definitiva la sua teoria
della relatività generale, dove,
in base al postulato
dell'equivalenza fra tutti i
sistemi inerziali e non inerziali,
formulò una nuova teoria della
gravitazione in cui il campo
gravitazionale generato da
ogni corpo materiale è
rappresentato come una
modificazione delle proprietà
geometriche dello spazio
fisico.
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9. Teoria dello stato stazionario
• L’universo è sempre esistito. Non è nato e non morirà. È
così com’è.
• Einstein dalle sue equazioni di campo dedusse un
universo in espansione, ma ciò era in contrasto con la
mentalità comune e lo indusse ad inserire una costante
cosmologica che rendesse l’universo statico.
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10. L’atomo primevo di Lemaître
Georges Lemaître fu il primo a proporre
che l’universo fosse stato originato da
quello che egli chiamò l’atomo primevo,
una sfera più o meno delle dimensioni
dell’orbita della Terra, fatta di protoni e
elettroni, ma estremamente, ma non
infinitamente, densa. Egli pensava che
anche il suo atomo primevo potesse
disintegrarsi dando origine agli elementi
leggeri.
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11. Spazio che lievita
Hubble fu il primo a
scoprire che le galassie si
allontanavano le une
dalle altre. Egli stabilì la
famosa relazione:
v = H d
dove v é la velocità di
allontanamento delle
galassie, d la loro
distanza e H la cosiddetta
costante di Hubble.
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12. L’effetto Doppler
L’effetto Doppler é un fenomeno fisico secondo il quale
se un oggetto luminoso si allontana da noi, le sue righe
spettrali si sposteranno verso il rosso (redshift), mentre
se si avvicina, le sue righe si sposteranno verso il blu
(blushift). Tale fenomeno é stato studiato per la prima
volta con onde sonore in cui cambia frequenza dell’onda.
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13. L’universo si espande
Per immaginare
l’espansione dell’universo
dobbiamo immaginare
che l’universo sia la
superficie di un
palloncino che si gonfia.
Ogni punto vedrà gli altri
allontanarsi, ma é
impossibile darne un
centro. Non esiste
semplicemente, é tutto lo
spazio-tempo che si
espande.
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14. Ma dove
Molto spesso si
chiede, ma in quale
spazio l’universo si
sta espandendo? La
risposta é in nessuno.
L’universo non é una
entità contenuta in
uno spazio esterno.
L’universo é tutto e
contiene tutto, perciò
non ha senso la
domanda. www.astronomiavallidelnoce.it

15. L’età dell’universo
Un modo pratico per conoscere l’età
dell’universo é quello di conoscere la
costante di Hubble H. Infatti possiamo
calcolare un limite superiore di tale valore
con la relazione:
t = 1/H
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16. L’incostante costante di Hubble
Sfortunatamente il
valore della costante
di Hubble non é
conosciuto con
precisione, vari
metodi danno diversi
risultati. Valore molto
accreditato é 55 km/s
per Mpc
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17. Il modello standard
Il modello standard é stato elaborato da
Friedmann, e sviluppato da Lemaître,
Robertson e Walker, presenta molte
affinità con i dati osservativi, ma presenta
dei gravi problemi. Non spiega l’orizzonte
cosmico e risulta instabile cioè sembra
collassare molto rapidamente, ma in
confronto può prevedere l’evoluzione
temporale dell’universo.
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18. Il Big Bang
Oggi quasi tutti i cosmologi
ritengono che l’universo sia
nato da un’immane
esplosione avvenuta circa
quindici miliardi di anni fa e
partita da un punto
estremamente piccolo,
caldo e denso. In meno di
mezzo secolo l’universo
statico di Newton é
diventato un’entità
dinamica, in espansione,
mobile quanto violenta.
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19. Il principio cosmologico
• L’universo è omogeneo e isotropo su grande
scala, cioè tutti gli osservatori vedono proprietà
identiche (omogeneità) e tali osservatori non
vedono direzioni privilegiate (isotropia).
• Tale osservazione, solo superficialmente
banale, è assai importante, poiché ci assicura
che le leggi della fisica che conosciamo possono
essere valide anche a milioni o miliardi di anni
luce da noi.
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20. L’origine di tutto
I fisici ritengono che l’universo al tempo
zero abbia avuto raggio zero e densità,
pressione e temperatura infinite. Questi
infiniti non piacciono, ma si riferiscono a
tempi anteriori al tempo di Planck 10-44 s.
Questi primi istanti di vita sono lasciati alla
pura speculazione mancando di vere
prove a sostegno delle varie tesi.
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21. L’orizzonte delle particelle
Va ricordato che le informazioni
(radiazione elettromagnetica) viaggiano ad
una velocità finita e pari alla velocità della
luce nel vuoto (circa 300000 km/s).
L’orizzonte di cui abbiamo coscienza ha
un raggio pari a
r = c t
Dove c é la velocità della luce e t il tempo.
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22. L’inflazione
Per risolvere i
problemi del modello
standard utilizziamo
l’idea di Guth, poi
sviluppata da Linde,
che prevede nella
fase iniziale di nascita
dell’universo una
brusca accelerazione.
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23. Problema
La teoria inflazionistica non può essere ripetuta
in laboratorio e attualmente rappresenta la
migliore spiegazione che si possa dare. Tuttavia
presenta un problema: prevede come densità
critica il valore uno, ma i dati in nostro possesso
danno valori molto al di sotto. Dato che si
esclude che la teoria sia sbagliata si ricerca la
massa mancante nella teoria GUT e in quella
supersimmetrica dove si postula la presenza di
molte particelle.
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24. La radiazione fossile di fondo
La teoria del Big Bang
prevedeva che il
nostro universo si
comportasse come un
corpo nero e dunque
doveva emettere
radiazione. Questa
radiazione é stata
trovata e corrisponde
a 2.735 K.
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25. COBE – Cosmic Background Explorer
Proiezione della
temperatura della
radiazione cosmica
di fondo, all-sky.
Temperatura media:
2,726 K
Affinché potessero nascere le galassie e le stelle era
necessario che la radiazione fossile di fondo presentasse
delle disomogeneità che sono state effettivamente misurate
da COBE. www.astronomiavallidelnoce.it

26. COBE – Cosmic Background Explorer
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27. Le ere dell’universo
• Era quantistica
• Era inflattiva
• Confinamento dei Quark
• Era del plasma
• Era nucleare
• Fine dell’epoca della radiazione
• Era della materia
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28. Tempo e lunghezza di Planck
Tempo e lunghezza di Planck sono
definite in base a costanti della fisica,
dunque dovrebbero essere riconosciute
universalmente:
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29. Era speculativa
• Planck: un’unica forza
fondamentale.
Equivalenza di
fermioni e bosoni.
• GUT: l’inflazione ha
luogo fra 10-35 e 10-32
s. La gravitazione si
separa dalle altre tre
forze. Quark e leptoni
si scambiano tramite
gluoni X e fotoni.
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30. Era elettrodebole
• L’interazione forte si
separa dall’elettrodebole.
• Quark, leptoni, fotoni.
• I fotoni non hanno
sufficiente energia per
creare coppie di protoni e
antiprotoni, ma sufficiente
a creare coppie di
elettroni e positroni.
• E = 8.75 MeV: c’è
equilibrio tra fotoni e
coppie di elettroni e
positroni.
• p + n = D
• Formazione di nuclei
di D, He3, He4, Li7.
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31. Era dominata dalla materia
Si cominciano a formare gli atomi neutri e il gas
diventa trasparente alla radiazione.
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32. I mattoni del tutto
Ci sono particelle che
sono i mattoni di tutti gli
elementi, mentre altre
sono le responsabili
dell’interazione tra le
quattro forze in natura:
• gravitazionale,
• nucleare forte,
• nucleare debole,
• elettromagnetica.
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33. Gli elementi
L’elemento più
abbondante
dell’universo é
l’idrogeno ma
abitualmente vediamo
che ne esistono molti
altri e in percentuali
molto diverse.
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34. Materia e antimateria
La creazione di ogni
particella é
accompagnata dalla
rispettiva creazione della
sua antiparticella, così
accanto alla materia
troviamo l’antimateria.
Quando una particella si
incontra con la sua
antiparticella queste si
annichilano, cioè si
elidono producendo
energia.
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35. Perché il mondo é di materia
Ma perché il mondo che vediamo é fatto di
materia data la simmetria tra le particelle?
Questo é dovuto al fatto che si é scoperto
che per alcune particelle il tempo di
decadimento (morte) é maggiore di quello
della rispettiva antiparticella.
Sfortunatamente noi non siamo in grado di
capire se viviamo in un mondo di materia
o di antimateria.
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36. Dove nascono gli elementi
pesanti
Si suppone che nel calderone primordiale
successivamente all’idrogeno si siano
formati deuterio, elio ed altri elementi
leggeri (Alpher, Bethe, Gamow), ma la
vera produzione di elementi pesanti é
stata realizzata all’interno delle stelle (von
Weizacker, Fermi, Hoyle, Fowler, M. e G.
Burbidge).
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37. L’evoluzione dell’universo
Parametro
indispensabile é la
densità critica. In
base a tale valore si
possono avere tre tipi
di universo:
• universo aperto,
• universo critico,
• universo chiuso.
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38. Universo chiuso
Se la densità critica é maggiore di uno,
abbiamo un universo chiuso. In altre
parole l’universo inesorabilmente colliderà
su se stesso a causa della forza di gravitá
e si verificherà il cosiddetto Big Crunch.
Da tale punto a sua volta potrebbe
nascere un nuovo universo.
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39. Universo aperto
Si ha un universo aperto quando la
densità critica é minore di uno. Questo tipo
di universo presenta un’espansione senza
fine in cui tutto é destinato a morire
spegnendosi. Questo é ciò che viene
definita morte termica dell’universo.
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40. Universo critico
Con universo critico si intende che la
densità critica ha il valore esatto di uno.
Questo tipo di universo é l’intermezzo tra
universo aperto e chiuso. L’universo si
espande fino ad un certo punto poi cessa
la sua espansione tuttavia non
contraendosi su se stesso.
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41. La massa mancante
Ci si accorse che la
materia visibile era troppo
poca per mantenere
stabile le galassie nonché
gli ammassi. Utilizzando
le leggi di gravitazione si
scoprì che doveva
esistere della materia che
non era visibile. Il primo
esperimento che diede
risultati fu quello della
scoperta della compagna
di Sirio.
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42. La freccia del tempo
Il tempo, come lo conosciamo noi, ha una
sua direzione. Tuttavia le teorie fisiche non
vietano al tempo di essere negativo, cioè
di tornare indietro. È come se una tazzina
rotta si ricomponesse da sola!?!?! Ma se
così fosse noi potremmo viaggiare nel
tempo… e lo spazio?!?!
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43. Entropia e la freccia termodinamica
Il secondo principio della termodinamica ci
assicura che una tazzina rotta non potrà
mai aggiustarsi da sola e da una precisa
indicazione di come evolvono le strutture
nell’universo.
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44. Morte entropica dell’universo
Se l’universo fosse aperto o critico quello
che succederebbe è che ad un certo punto
le distanze tra gli oggetti sarebbero tale
che con la morte delle stelle (nane nere)
non ci sarebbe più la possibilità di creare
nuove generazioni stellari.
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45. Universi infiniti
Sfortunatamente nulla
possiamo dire
sull’esistenza di altri
universi. Potrebbero
esisterne in quantità
inimmaginabili o ci
potrebbe essere solo il
nostro. A questo la fisica
non può rispondere come
non può affrontare
domande se esista un dio
creatore.
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46. Mondi senza fine?
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47. Universi paralleli
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48. Cosa c’era prima
Cosa c’era prima? Questa domanda fa
parte più della metafisica che della fisica,
anche se alcuni fisici, specialmente delle
particelle, cercano di spiegare ogni istante
dell’universo sviluppando idee su ciò che
ci sarebbe stato prima utilizzando potenti
acceleratori di particelle.
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49. Da dove si é formato l’universo
Alla domanda da dove si sia formato
l’universo non vi era possibilità di dare una
risposta fisica fino a quando un giovane
borsista Edward Tryon non pensò “forse
l’universo non é altro che una fluttuazione
del vuoto”. Cioè l’universo é nato dal nulla
e ciò é possibile in quanto l’energia totale
dell’universo é zero.
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50. Concetto di vuoto
Il vuoto a cui si fa riferimento non é il vuoto
nel senso comune che ha per noi il
termine come assenza di materia. Il vuoto
che qui interessa é quello che viene
chiamato quantistico. In esso si formano
particelle che hanno vita brevissima e poi
muoiono (particelle virtuali) e se hanno a
disposizione abbastanza energia possono
diventare particelle reali.
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51. Struttura a grande scala
dell’universo
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52. Formazione strutture solo materia
Cluster gravitazionale Cluster gerarchico
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53. Formazione strutture anche con
gas
Peebles Test idrodinamico in 2D
Cold Dark Matter L’universo ai raggi X
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54. Formazione delle galassie
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55. CamilleFlammarion,
Astronomiapopolare,1925.
Lo spettacolo dell’universo
si trasfigura davanti alla nostra mente
colma di stupore.
Non sono più blocchi di materia,
inerti ed errabondi
nell’eterna notte silente,
che Urania ci addita nel fondo dei cieli:
è la vita, la vita immensa,
universale, eterna,
che si dispiega in flussi armoniosi
fino agli orizzonti inaccessibili
dell’infinito in perpetua fuga!
Quale meravigliosa fuga!
Quale meravigliosa impresa!
Quali splendori da contemplare!
Quali vastità da percorrere!
È una sterminata galleria di immagini,
frutto delle nobili e pacifiche conquiste
dell’ingegno umano; conquiste sublimi,
che non sono costate né sangue né lacrime,
che ci fanno vivere
nella conoscenza del Vero
e nella contemplazione del Bello!