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Anteprima Enigmi Astrofisici Ebook di Corrado...

Leggi in anteprima il primo capitolo dell'ebook Enigmi Astrofisici, Dal Big Bang al Multiverso di Corrado Ruscica

Anteprima Enigmi Astrofisici Ebook di Corrado Ruscica

CAPITOLO 1
Il Big Bang

Con il termine Big Bang i cosmologi identificano quel momento “singolare” per descrivere l’evento iniziale da cui ha avuto origine l’Universo, una sorta di gigantesca “esplosione dello spazio”, e non nello spazio, insomma l’evento naturale più enigmatico che non siamo in grado di capire completamente e dove le leggi della fisica vengono meno. Se diamo uno sguardo d’insieme fino a spingerci nelle regioni più remote dell’Universo, osserviamo che le galassie allontanano le une dalle altre a grandi velocità.

Immaginando per un attimo di andare a ritroso nel tempo, diciamo di 13-14 miliardi di anni, come se riavvolgessimo la pellicola di un film, scopriremmo che ad un certo istante tutte le galassie si troverebbero compresse in un “punto” incredibilmente piccolo, ancora più piccolo della più piccola parte di un atomo, dove le condizioni di densità e di temperatura diventano infinite.

In realtà il termine stesso Big Bang contiene di per sè una contraddizione perchè non è stato “grande” (cioè “big”), visto che si sarebbe originato da ciò che immaginiamo essere un “punto infinitesimale” o meglio, come dicono gli astronomi, da una “singolarità”, e non c’è stata alcuna “esplosione” (cioè “bang”), poichè non c’era un mezzo per permettere la propagazione di onde sonore.

Il modello cosmologico standard

Anche se il Big Bang rappresenta oggi il modello cosmologico standard più adeguato per descrivere, con buona approssimazione, l’evoluzione dell’Universo subito dopo il “bang”, tuttavia questo modello non è in grado di spiegare in maniera definitiva né l’origine dell’Universo né cosa c’era prima (figura 1.1). Infatti, le leggi della fisica, così come noi le conosciamo, non sono in grado di descrivere esattamente la storia dell’Universo ma ci permettono di avvicinarci e comprendere la realtà solo attraverso una serie di eleganti approssimazioni.

Al momento, il modello cosmologico standard rappresenta una delle conquiste più importanti della fisica del 20° secolo perché ci fornisce una descrizione completa e soddisfacente dello stato attuale dell’Universo. L’estensione del modello alla fase dell’espansione inflazionaria ci permette di descrivere l’evoluzione successiva alla fase iniziale subito dopo il Big Bang e la conseguente formazione delle strutture che osserviamo oggi sottoforma di stelle, galassie o ammassi di galassie [Capitolo 2].

Ora, andando indietro nel tempo, cioè avvicinandoci alla singolarità iniziale quando il tempo t=0, le leggi della fisica a noi note non sono più valide. In altre parole, in prossimità del Big Bang l’Universo si trova in uno stato fisico estremamente diverso da quello previsto dal modello cosmologico standard. Oltre ad essere caratterizzato da condizioni estreme di densità, energia, temperatura e curvatura della geometria dello spaziotempo, l’Universo fluttua in una sorta di spazio multidimensionale, popolato da particelle esotiche, governato da una singola “super forza” e da condizioni di simmetria che in seguito all’espansione scompariranno.

Se utilizziamo la teoria della relatività generale in prossimità del Big Bang, quando cioè l’Universo è infinitamente piccolo e i valori della densità, della temperatura e della curvatura dello spaziotempo crescono senza limiti fino a raggiungere, in un tempo molto lungo ma finito, valori infiniti, troviamo che le equazioni di Einstein non hanno più senso. E’ dunque la relatività generale stessa che porta alla singolarità iniziale e suggerisce così l’ipotesi del Big Bang come l’istante iniziale da cui ha avuto origine l’Universo.

Ci si chiede allora se l’incompletezza della descrizione dello spaziotempo secondo la teoria della relatività generale sia una proprietà fisica reale del nostro Universo oppure sia una conseguenza delle equazioni matematiche che non sono adatte a descrivere lo stato fisico dell’Universo in prossimità del Big Bang. In realtà, quella di Einstein è una teoria “classica” che vale se consideriamo sistemi fisici dove la densità di energia, la temperatura e la curvatura dello spaziotempo sono molto più piccole rispetto a quelle caratteristiche dell’Universo delle origini.

Infatti, ad altissime energie, ci si aspetta che l’interazione gravitazionale agisca in maniera diversa da ciò che prevede la relatività generale perché entrano in gioco situazioni fisiche che sono, invece, tipiche della meccanica quantistica. Dunque, applicando le equazioni di Einstein si calcola che la densità di materia nella fase iniziale dell’evoluzione dell’Universo doveva essere almeno 1080 volte più grande di quella di un nucleo atomico.

Questo valore, che prende il nome di limite di Planck per la densità di materia, segna il punto critico nel quale lo spazio, il tempo e la materia seguono le leggi della meccanica quantistica. Ma per descrivere correttamente l’Universo nel limite di Planck, è necessaria una teoria che metta insieme i principi della relatività generale con quelli della meccanica quantistica. Di fatto, tale teoria non esisteva all’epoca della formulazione del modello cosmologico standard per cui i cosmologi “forzavano” la teoria della relatività fino a descrivere la nascita dell’Universo da uno stato estremamente caldo, denso e curvo.

La ricerca di questa teoria ha occupato i fisici teorici da Einstein in poi e solo qualche progresso è stato fatto verso la metà degli anni ’80 duranti i quali si sono sviluppati due modelli matematici. Il primo modello, chiamato “loop quantum gravity”, lascia sostanzialmente intatta la teoria della relatività ma cambia il modo di inglobarla nella meccanica quantistica, anche se gli sforzi fatti finora non hanno risolto i problemi fondamentali sulla quantizzazione della gravità. Il secondo modello, forse il più promettente, è noto come teoria delle stringhe che, invece, rappresenta una modifica rivoluzionaria della teoria della teoria di Einstein.

Cosmologia di stringa

Tra tutte le particolari, e in certi casi, bizzarre proprietà della teoria delle stringhe una risulta fondamentale: le stringhe non contemplano il concetto di “infinito”, in altre parole non possono collassare su un punto infinitesimale.

Questo vuol dire che quando si riavvolge la storia cosmica all’indietro nel tempo, il raggio di curvatura dello spaziotempo aumenta e anziché diventare infinito, cioè nel punto della singolarità del Big Bang, raggiunge un valore massimo e poi diminuisce nuovamente. Naturalmente, nessuno conosce le condizioni fisiche in prossimità del tempo t=0 né si è in grado di risolvere le equazioni.

Nonostante ciò, i teorici delle stringhe hanno azzardato delle ipotesi su ciò che può essere stato lo stato fisico dell’Universo prima del Big Bang. Ancora una volta, entrano in gioco due modelli matematici. Il primo di questi, noto come “scenario pre-bang”, si basa sulla proprietà di simmetria del tempo, detta “t-duality”, per cui le equazioni matematiche sono equivalenti se vengono fatte evolvere all’indietro o in avanti nel tempo (figura 1.2).

Ciò implica che l’Universo si è evoluto allo stesso modo alcuni secondi prima e alcuni secondi dopo il Big Bang con una modalità diversa dell’espansione intorno al tempo t=0: cioè se l’espansione decelera dopo il Big Bang, l’espansione deve accelerare prima del Big Bang. Ma allora questo vuol dire che il Big Bang non è stato il momento in cui tutto è cominciato piuttosto si è trattato di una “fase di transizione singolare” nella storia dell’Universo.

Il fatto interessante è che questo scenario incorpora automaticamente l’espansione inflazionaria che ha reso lo spazio omogeneo e isotropo nelle fasi successive dell’evoluzione dell’Universo. Nel modello cosmologico standard, la fase di accelerazione si ha dopo il Big Bang, guidata dal campo scalare “inflatone” [Capitolo 2], mentre nella fase pre-bang essa avviene prima del Big Bang come conseguenza naturale delle proprietà di simmetria della teoria delle stringhe.

Possiamo anche dire che l’Universo pre-bang rappresenta quasi una immagine speculare dello “scenario post-bang”. La conclusione di ciò è che se l’Universo è eterno nel futuro lo sarà stato anche nel passato.

L'ipotesi del buco nero supermassiccio

Quale è stato l’evento che ha effettivamente causato il Big Bang? Anche qui i teorici hanno avanzato delle ipotesi spesso non convenzionali. Una di queste, un po’provocatoria, si basa su un modello secondo cui l’Universo ha avuto origine da un buco nero. All’interno di un buco nero, lo spazio e il tempo sono indistinguibili e il suo centro non può essere considerato certamente come un“punto” dello spazio piuttosto un “istante” nel tempo [Capitolo 7].

Secondo questa ipotesi, man mano che la materia si avvicina verso il buco nero, la densità, la temperatura e la curvatura raggiungono i valori massimi, previsti dalla teoria delle stringhe, poi smettono di crescere e cominciano a diminuire. Il momento in cui avviene questa transizione è ciò che chiamiamo Big Bang che coincide con il “centro” del buco nero da cui si origina il nostro Universo.

Ma questa ipotesi ha causato delle controversie. Ad esempio, il fisico Andrei Linde ribatte sul fatto che il buco nero si sarebbe dovuto formare con dimensioni gigantesche, molto più grandi della scala delle lunghezze caratteristica della teoria delle stringhe. Tuttavia, le equazioni della teoria prevedono che si possono formare buchi neri di tutte le dimensioni, perciò il nostro Universo si sarebbe formato all’interno di uno sufficientemente grande. Una obiezione a queste considerazioni suggerisce che nel momento del “bang” la materia e lo spaziotempo si sarebbero comportati in maniera caotica.

Questo andrebbe in contraddizione, però, con quanto di regolare viene osservato nella struttura dell’Universo primordiale anche se uno stato caotico potrebbe produrre un gas denso costituito da tanti “buchi neri di stringa” così piccoli ed estremamente massicci tali da diventare veri e propri buchi neri di grandi dimensioni. Considerando ancora l’ipotesi del buco nero, di recente, un fisico montenegrino Dragan Hajdukovic, ha pubblicato un articolo nel quale egli ipotizza un universo che durante la sua storia evolutiva arresta la sua espansione e cominci a collassare su se stesso dando luogo ad un gigantesco buco nero supermassiccio da cui avrebbe avuto origine successivamente il nostro Universo.

In questo processo esiste un meccanismo fisico capace di convertire materia in antimateria, o viceversa, dando luogo ad un ciclo in cui l'universo viene dominato prima da materia e poi da antimateria. In altre parole, quando un universo dominato da materia collassa, emerge un universo dominato da antimateria e il ciclo si ripete continuamente all'infinito. Questo modello potrebbe spiegare come mai il nostro Universo è dominato da materia anziché da antimateria [Capitolo 4].

A questo punto, la massa estrema del buco nero produce un campo gravitazionale fortissimo che converte coppie virtuali di particelle-antiparticelle in coppie reali particelle-antiparticelle dal vuoto quantistico circostante. Ma se il buco nero è fatto di materia, o di antimateria, allora ci aspettiamo che in una piccolissima frazione di secondo esso respinga miliardi e miliardi di antiparticelle, o di particelle, nello spazio esterno creando così una sorta di “evento esplosivo” che potrebbe essere quello che noi chiamiamo, appunto, il Big Bang.

 

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Corrado Ruscica si è laureato in astronomia presso l'Università di Bologna discutendo una tesi osservativa nel campo della radioastronomia extragalattica.

 

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eBook - Enigmi Astrofisici

Dal Big Bang al Multiverso

Corrado Ruscica

Disponibilità: Immediata

Download - Macro eBook - Dicembre 2011 - eBook - Scienza

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