(22Kb)Relatore: BAGNATI Ing. Massimo
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LA CONFERENZA
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L’UNIVERSO IN UN GUSCIO DI NOCE
Come,
quando e perché ha avuto inizio il nostro universo? Quanto è grande? Che forma
ha? Di che cosa è fatto? Tali domande potrebbero essere poste da un bambino, ma
sono proprio queste domande che assillano i cosmologi moderni ormai da diverso
tempo.
Fino ai primi anni di questo secolo,
sia i filosofi che gli astronomi ritenevano che esistesse uno spazio fisso sullo
sfondo del quale si muovevano le stelle, e tutti gli altri corpi celesti, come
palle da biliardo che rotolano sul panno verde. Negli anni Venti questa idea
dovette essere mutata, sia a causa della nuova concezione einsteniana della
gravità, sia per i risultati delle nuove osservazioni eseguite da Edwin Hubble
sul colore della luce emessa dalle stelle appartenenti a galassie lontane.
Era noto da tempo il fenomeno dello
“spostamento verso il rosso”, dovuto all’effetto Doppler, per una sorgente
di luce in allontanamento
dall’osservatore; nelle sue osservazioni Hubble scoprì un sistematico
spostamento verso il rosso nella luce proveniente dalle galassie da lui
osservate. Valutando l’entità dello spostamento, egli poté stabilire la
velocità di fuga delle sorgenti luminose. Confrontando la luminosità apparente
delle stelle della medesima specie, Hubble poté anche dedurre le loro
rispettive distanze da noi. Scoprì in tal modo che, quanto più lontana era la
sorgente luminosa, tanto più velocemente essa si allontanava. Questa tendenza
è nota oggi col nome di “legge di Hubble”. Hubble aveva scoperto
l’espansione dell’universo.
Se l’universo si espande, allora -
invertendone la direzione - troveremo le prove che il cosmo è emerso da uno
stato più denso e più piccolo nel quale esso aveva dimensione zero. A questo
inizio è stato dato il nome di “Big - Bang”.
Che cosa si sta espandendo?
Certamente non si espande la Terra, né la Via Lattea e neppure gli “ammassi
galattici”; tutti questi aggregati di materia sono legati da forze di
attrazione chimica e gravitazionale ben più forti delle forze di espansione.
Solo alla scala dei grandi ammassi di centinaia di migliaia di galassie è
possibile constatare che l’espansione vince la locale forza di gravità. Per
avere un’idea del fenomeno si pensi a dei granelli di polvere sulla superficie
di un palloncino. Il palloncino, gonfiandosi, si espanderà ed i granelli di
polvere si allontaneranno gli uni dagli altri; ma i granelli, come tali, non si
espandono. Del pari, è possibile pensare l’espansione dell’universo come
l’espansione dello spazio esistente fra gli ammassi galattici. L’espansione
dell’universo non è un’espansione che abbia origine in un determinato punto
nello spazio, l’universo contiene tutto lo spazio esistente! Il fatto che
tutti gli ammassi si allontanano da noi non significa affatto che siamo al
centro dell’universo.
Lo
spazio del nostro universo è paragonabile alla superficie tridimensionale di
una sfera a quattro dimensioni: qualcosa che non si riesce a visualizzare. Ma se
riduciamo il tutto di una dimensione, il nostro universo sarebbe allora la
superficie di una sfera tridimensionale. Immaginando che questa sfera diventi più
grande, due punti posti sulla sua superficie si allontaneranno l’uno
dall’altro; se consideriamo più punti ci accorgeremmo che, qualunque sia il
punto di osservazione, tutti gli altri si allontaneranno da questo via via che
aumenta l’espansione. La superficie della sfera rappresenta lo spazio, ma il
“centro” dell’espansione non si trova su quella superficie. Non esiste un
centro di espansione sulla superficie della sfera, non vi è neppure un orlo o
un margine estremo; l’universo non si espande in qualche altra cosa: esso è
tutto ciò che esiste.
Un’ulteriore
domanda, è se lo stato di espansione che constatiamo nell’universo continuerà
indefinitamente. Se l’energia d’espansione è superiore a quella creata
dall’attrazione gravitazionale, che agisce in senso contrario, l’universo
continuerà ad espandersi eternamente. Se, invece, la velocità di lancio è
inferiore ad un certo valore critico, l’espansione alla fine si arresterà ed
invertirà il suo moto: la contrazione continuerà fino a quando l’universo
raggiungerà la dimensione zero. Fra i due sistemi esiste quello che possiede
esattamente la velocità di lancio critica, cioè il valore minimo che gli
consente di espandersi per sempre. Uno dei grandi misteri dell’universo è che
esso si sta attualmente espandendo ad una velocità assai vicina alla velocità
critica, tanto che non si può ancora dire da quale parte dello spartiacque esso
si trovi.
E’ facile intuire che l’universo, espandendosi ed invecchiando, debba
allontanarsi sempre più dallo spartiacque critico a meno che esso non abbia
cominciato la sua esistenza proprio con tale velocità. L’universo si sta
espandendo da circa quindici miliardi di anni, affinché esso rimanga così
prossimo allo spartiacque dopo tutto questo tempo occorre che la velocità di
lancio dell’universo sia stata “scelta” in modo da differire dalla velocità
critica per non più di 10-35
Va
altresì detto che solo un universo che dopo miliardi di anni di espansione si
trovi ancora vicinissimo allo spartiacque critico può contenere degli esseri
umani. Infatti se un universo cominciasse ad espandersi con velocità molto
superiore a quella critica, allora la gravità non riuscirebbe a dare origine
alle galassie o alle stelle, che rappresentano le fucine in cui nascono gli
elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio e di cui sono composti i
nostri corpi. Del pari, se un universo si espandesse ad una velocità molto
inferiore alla velocità critica, la sua espansione si rovescerebbe in
contrazione prima che le stelle abbiano avuto il tempo di sintetizzare elementi
pesanti, e di nuovo non si avrebbero i componenti per creare la vita. Solo gli
universi che dopo miliardi di anni continuano ad espandersi a velocità prossima
a quella critica sono in grado di produrre la materia che sta alla base di
qualsiasi struttura qualificabile come osservatore. Noi non potremmo esistere in
un universo diverso da uno che si espanda a velocità prossima a quella critica.
La teoria dell’espansione
dell’universo e la ricostruzione del cosmo si sono sviluppate molto
lentamente. Negli anni Trenta il sacerdote e fisico belga Georges LemaTtre
fu un pioniere del campo; la sua teoria “dell’atomo primordiale” precorse
quello che oggi è noto come il modello del Big Bang.
I passi di maggior rilievo furono fatti alla fine degli anni Quaranta da
George Gamow coi suoi allievi, che cominciarono a considerare la possibilità di
applicare le nozioni della fisica per capire quali caratteristiche avessero
potuto avere le prime fasi dell’espansione dell’universo. Essi riconobbero
che, se l’universo aveva avuto inizio in uno stato di grande densità e di
altissima temperatura, doveva essere rimasta una radiazione quale residuo di
quell’esplosivo inizio; più precisamente si resero conto che, quando
l’universo aveva avuto un’età di pochi minuti, doveva essere stato così
caldo da innestare ovunque delle reazioni nucleari.
Nel
1948 gli allievi di Gamow predissero che la radiazione proveniente dal Big Bang,
raffreddata dall’espansione, doveva avere attualmente una temperatura di circa
5° K; tale predizione rimase ignorata per quindici anni.
Nel
1965 la prevista radiazione cosmica fu scoperta fortunosamente da Arno Penzias e
Robert Wilson, due radiotecnici dei laboratori della Bell, che stavano
calibrando un’antenna. Nel medesimo tempo all’università di Princeton un
gruppo di studiosi guidati da Robert Dicke, in modo del tutto autonomo, aveva
ricalcolato il valore della radiazione di fondo. Venuti a conoscenza del rumore
captato dal ricevitore della Bell, essi lo interpretarono come la radiazione
prevista; tale radiazione aveva una temperatura di 2,7 °K. Il fenomeno fu
chiamato “radiazione di fondo a microonde”. La scoperta di questa radiazione
segnò l’inizio di un serio studio del modello del Big Bang.
La
radiazione di fondo fu misurata con uguale intensità in ogni direzione e,
quando quell’intensità fu misurata a frequenze diverse, si constatò che essa
corrispondeva ad una “radiazione di corpo nero” (sotto tale nome viene
indicato lo spettro misurato per le diverse lunghezze d’onda, ad una data
temperatura di un corpo teorico, definito appunto nero, che è in grado di
assorbire tutta la radiazione incidente su di esso, o di emettere con continuità
in tutto lo spettro). Solo nel 1989 col lancio del satellite COBE fu possibile
misurare con estrema precisione lo spettro della radiazione di fondo: si dimostrò
il più perfetto spettro della radiazione di corpo nero mai osservato in natura;
in tal modo venne confermato che in tempi remoti, l’universo era centinaia di
migliaia di volte più caldo di quanto non lo sia ora.
Un
altro esperimento chiave, a conferma della origine della radiazione in un
lontano passato, venne eseguito verso la fine degli anni Settanta, rivelando una
piccola, ma sistematica, variazione dell’intensità della radiazione dovuta al
moto della Terra e della nostra galassia nel “mare” della radiazione di
fondo. La radiazione risulta più intensa nella direzione del moto, e più
debole ad un angolo di 180 gradi. Altre variazioni dell’intensità della
radiazione, come scoperto da COBE nel 1992, sono dovute alle concentrazioni di
materia costituite dalle galassie.
Esaminando
le misure sull’intensità della radiazione si constatò che l’espansione del
nostro universo è isotropa (uguale in ogni direzione) ed è questa tra tutte le
varie possibilità, una caratteristica peculiare. I tentativi di spiegare questa
isotropia rispecchiano i diversi modi di affrontare il problema. Una spiegazione
possibile consiste nell’affermare che l’universo cominciò ad espandersi
isotropicamente fin dall’inizio, in tale ipotesi la spiegazione dello stato
attuale dell’universo viene fatto gravare sullo stato iniziale, sconosciuto e
forse inconoscibile. Un secondo approccio consiste nel considerare l’attuale
situazione come conseguenza dei processi fisici che si svolgono nell’universo.
Per quanto irregolare fosse lo stato iniziale dell’universo, può darsi che
col tempo tale irregolarità siano scomparse, lasciando lo stato di espansione
isotropica. Questo approccio consente di affermare, che indipendentemente
dall’origine dell’universo, si sono sviluppati -nel corso delle sue prime
fasi- dei processi che hanno portato all’universo attuale. Tuttavia se questo
universo è emerso indipendentemente dalle condizioni iniziali, allora le nostre
osservazioni, non possono dirci nulla sui suoi inizi, perché il suo stato è
compatibile con qualsiasi inizio. Se al contrario, l’attuale struttura è un
parziale riflesso del modo in cui l’universo ha avuto inizio, allora le
osservazioni sarebbero in grado di dirci qualcosa su tale inizio.
