Le pieghe del tempo e l'Universo neonato - IASF Palermo - Inaf
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le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
<strong>Le</strong> <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong> e<br />
l’universo <strong>neonato</strong><br />
antonio pagliaro (iasf/inaf) 16 marzo 2005<br />
1<br />
La sinfonia dei fotoni<br />
XV Settimana <strong>del</strong>la Cultura Scientifica e Tecnologica<br />
2005 Anno Mondiale <strong>del</strong>la Fisica
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
2<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
The smoking gun<br />
Il Big Bang ha lasciato una prova che la<br />
scienza considera oggi molto attendibile.
3<br />
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
La prova è il CMB<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
CMB = Cosmic Microwave Background<br />
(fondo cosmico a microonde)<br />
Si può osservare in TV fra TGS e TRM!!
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
4<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Concetti chiave - 1<br />
Big Bang: l'universo nasce caldo e denso, poi si espande e<br />
si raffredda<br />
Instabilità gravitazionale: le stelle, le galassie, le strutture<br />
cosmiche si formano per accrescimento gravitazionale<br />
di piccole fluttuazioni di densità nell'universo<br />
primordiale
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
5<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
<strong>Le</strong> domande<br />
Fatti non foste a viver come bruti<br />
ma per seguir virtute e canoscienza...<br />
Dante, Inferno, XVII<br />
<strong>Le</strong> domande che gli scienziati si pongono e alle<br />
quali cercano di rispondere sono:<br />
• Qual è l’origine <strong>del</strong>l’universo?<br />
• Come il nostro universo è diventato ciò<br />
che è oggi? Qual è la sua età?<br />
• Come galassie e ammassi sono emersi<br />
dall’inferno <strong>del</strong>la creazione?<br />
• Qual è il destino ultimo <strong>del</strong>l’universo?
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
6<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
L’Edda prosastica<br />
L’origine <strong>del</strong>l’universo è spiegata in dettaglio<br />
nell’Edda prosastica, raccolta di miti norvegesi<br />
compilata intorno al 1220 dal capo islandese Snorri<br />
Sturluson.<br />
Cosa c’era in origine?<br />
Nulla, solo un abisso
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
7<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
In principio non c’era nulla,<br />
solo un abisso<br />
L’abisso, il Ginnungagap, abisso degli abissi, era composto di:<br />
• una Casa <strong>del</strong>la Nebbia, o Niflheim<br />
• una Casa dei Distruttori, o Muspellheim<br />
<strong>Le</strong> case erano contrapposte: la prima era gelida, l’altra era infuocata e<br />
fiammeggiava lanciando scintille intorno.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
8<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Dalle case, il primo Gigante<br />
Il calore di Muspellheim fuse parte dei ghiacci di Niflheim.<br />
Dalle gocce <strong>del</strong> liquido si formò Ymir, il<br />
capostipite <strong>del</strong>la razza dei Giganti di Ghiaccio.<br />
Gli altri Giganti furono da lui stesso generati per partenogenesi.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
9<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Ma cosa mangiava Ymir?<br />
Ma se non c’era nulla, cosa mangiava Ymir? Ymir<br />
era nutrito da Audhumla, una vacca sacra.<br />
E cosa mangiava Audhumla?<br />
La brina sulle rocce<br />
Un giorno, poi, dalla brina spuntarono dei fili d’erba che a poco a poco,<br />
mentre Audhumla si cibava <strong>del</strong> ghiaccio soprastante, si rivelarono<br />
essere i capelli di un uomo, il primo uomo, Buri
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
10<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
E dopo Buri?<br />
Buri si accoppiò (non si sa con chi) e generò Bor, che a sua<br />
volta sposò una gigantessa e generò tre figli: Odino, Vili e Ve.<br />
Essi uccisero Ymir colpendolo alla testa; Ymir morendo<br />
cadde e perse tanto sangue da annegare tutta la progenie dei<br />
Giganti di Ghiaccio, con la sola eccezione di uno, Bergelmir,<br />
che si salvò su di una arca.<br />
Il cadavere di Ymir servì ai tre fratelli suoi uccisori per creare<br />
il mondo: la sua carne formò la terra, le sue ossa le rocce, il suo<br />
sangue i mari e i laghi. Infine i tre figli di Bor “presero il fuoco<br />
di Muspellheim e le sue faville e li lanciarono in cielo a formare<br />
il Sole, la Luna e le stelle, alcune <strong>del</strong>le quali fisse ed altre in<br />
moto rispetto alle prime…”
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
11<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Tutto chiaro? Mica tanto…<br />
I problemi che questo racconto pone sono certo<br />
più numerosi <strong>del</strong>le risposte che dà.<br />
Ogni risposta introduce una complicazione<br />
nuova nelle condizioni iniziali<br />
Tuttavia, l’impulso a<br />
ricostruire la storia<br />
<strong>del</strong>l’universo è<br />
irresistibile, per noi<br />
come per i vichinghi.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
12<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
La testa in cielo…<br />
Il poeta cerca solo di mettere la testa in cielo. E’ il logico che cerca<br />
di mettere il cielo dentro la propria testa. Ed è la sua testa che si<br />
spacca.<br />
G.K. Chesterton<br />
Si spacca davvero?<br />
O forse c’è un mezzo per tentare di mettere il cielo dentro la nostra<br />
testa? Almeno tentare…<br />
Io non pretendo di capire l’universo.<br />
E’ molto più grande di me<br />
T. Carlyle
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
13<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Il mondo è matematico!<br />
La filosofia è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto<br />
innanzi a gli occhi (io dico l’universo), ma non si può intendere se prima non<br />
s’impara a intender la lingua, e conoscer i caratteri ne’ quali è scritto. Egli è<br />
scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi e altre figure<br />
geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola:<br />
senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto.<br />
GALILEI<br />
Uno dei più grandi misteri <strong>del</strong>l’universo è il fatto che esso non è<br />
più un oscuro mistero! Siamo in grado di comprendere e<br />
prevedere il suo funzionamento a tal punto che se un uomo <strong>del</strong><br />
Medio Evo si trovasse fra noi ci considererebbe dei maghi.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
14<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
L’universo matematico<br />
Il motivo per cui siamo stati così bravi a sciogliere<br />
molto enigmi è che abbiamo scoperto la lingua<br />
nella quale il libro <strong>del</strong>la natura sembra essere<br />
scritto.<br />
Questo linguaggio è quello <strong>del</strong>la matematica.<br />
Si adatta meravigliosamente bene alla natura <strong>del</strong><br />
mondo ed al suo funzionamento. Nessun<br />
fenomeno che sfugga al suo potere descrittivo è<br />
stato mai scoperto
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
15<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Eppure…<br />
Eppure fino agli anni ‘60 lo studio <strong>del</strong>le origini<br />
<strong>del</strong>l’universo non era fra i temi a cui uno scienziato<br />
degno di questo nome avrebbe dovuto dedicare il suo<br />
<strong>tempo</strong>.<br />
Era un giudizio sensato: non esisteva una base di<br />
osservazioni e di teoria adeguata sulla quale costruire una<br />
storia <strong>del</strong>l’universo!<br />
La situazione è radicalmente mutata negli anni sessanta: la<br />
cosmologia è diventata “scienza”
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
16<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Penzias e Wilson<br />
La situazione è radicalmente<br />
mutata grazie all’osservazione<br />
casuale <strong>del</strong> fondo cosmico a<br />
microonde (CMB) da parte di<br />
Penzias e Wilson (1965).<br />
Il CMB è un "bagno" di fotoni<br />
presente in tutto l'universo,<br />
uguale in ogni direzione.<br />
Era la prima prova “tangibile” <strong>del</strong><br />
mo<strong>del</strong>lo <strong>del</strong> big-bang.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
17<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Perché il CMB è così importante?<br />
Il mo<strong>del</strong>lo <strong>del</strong> big bang prevede che:<br />
✗<br />
✗<br />
✗<br />
L’universo nasce caldo e denso<br />
Si espande e raffredda<br />
Lascia dietro di sé una traccia fossile<br />
Questa traccia fossile è il CMB,<br />
fondo cosmico a microonde.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
18<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
La cosmologia<br />
diventa scienza!<br />
Il fondo cosmico a<br />
microonde era stato<br />
predetto già nel 1948 da<br />
Gamow, Alpher e<br />
Herman
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Uniforme<br />
Nel 1965 il CMB osservato era perfettamente<br />
uniforme nel cielo. In tal modo era difficile capire<br />
la formazione <strong>del</strong>le strutture.<br />
19<br />
“Se le galassie non esistessero non avremmo<br />
alcun problema a spiegarlo” (W.Saslaw)
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
20<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Il big bang<br />
Una teoria sull’origine è stata accettata<br />
così diffusamente da essere chiamata<br />
“mo<strong>del</strong>lo standard”<br />
All’inizio, l’universo è una palla di fuoco<br />
infinitamente densa. Una particolare forma<br />
di energia che può dare origine allo spazio<br />
e al <strong>tempo</strong>
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Un fatto fondamentale<br />
L’universo che noi osserviamo non è l’universo che<br />
esiste oggi!<br />
I telescopi sono macchine <strong>del</strong> <strong>tempo</strong>!<br />
Gli astronomi che guardano il cielo a distanze di miliardi di anni luce stanno<br />
in realtà guardando indietro nel <strong>tempo</strong>. La luce, o altra emissione, che noi<br />
vediamo oggi impiega miliardi di anni per giungere a noi. Così noi vediamo<br />
il cielo come era allora, non come è oggi!<br />
I telescopi sono dunque come macchine <strong>del</strong> <strong>tempo</strong> che ci aiutano ad<br />
imparare di più sulle origini e sulla storia <strong>del</strong>l’universo.<br />
21<br />
La cosmologia è l’archeologia <strong>del</strong>l’universo
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
22<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Il principio centrale!<br />
Il principio centrale <strong>del</strong>la cosmologia moderna è che<br />
l’universo è in espansione, e che questo implichi che in<br />
qualche <strong>tempo</strong> nel passato lontano era incredibilmente<br />
denso e caldo.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
23<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Indietro nel <strong>tempo</strong> (rewind!)...<br />
Questa espansione da uno stato iniziale denso e<br />
caldo è detta big bang.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
I pilastri <strong>del</strong> big bang<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Espansione<br />
<strong>del</strong>l’universo<br />
Origine<br />
<strong>del</strong>la CMB<br />
Il l mo<strong>del</strong>lo <strong>del</strong> big bang produce <strong>del</strong>le ipotesi accurate e dimostrabili in<br />
ciascuna di queste aree e l’accordo notevole tra la teoria e le osservazioni<br />
ci dà una considerevole confidenza in questo mo<strong>del</strong>lo.<br />
24<br />
Nucleosintesi<br />
degli elementi<br />
leggeri<br />
Formazione<br />
<strong>del</strong>le galassie<br />
e <strong>del</strong>le strutture<br />
su grande scala
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
25<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
In principio, un’esplosione<br />
Non un’esplosione come quelle che<br />
conosciamo.<br />
Cioè: non un’esplosione che partendo da<br />
un punto preciso si diffonde inghiottendo<br />
l’aria circostante.<br />
Una esplosione che avviene simultaneamente<br />
ovunque formando lo spazio e il <strong>tempo</strong> e nella<br />
quale ogni particella cominciò ad allontanarsi da<br />
ogni altra particella
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
26<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Chi c’è? (ripasso!)<br />
La materia è fatta di atomi
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
27<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Chi c’era?<br />
Il primo istante di cui possiamo parlare con una certa<br />
confidenza è un centesimo di secondo dopo il big bang.<br />
La temperatura era di circa 100 miliardi di gradi.<br />
Nessun elemento <strong>del</strong>la materia comune sopravvive coeso a<br />
tale temperatura<br />
Chi c’era allora?<br />
C’erano quark, elettroni, positroni, vari tipi di<br />
neutrini e luce (fotoni)
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
28<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Comincia l’espansione<br />
All’inizio l’espansione è molto rapida<br />
(periodo inflazionario). Più l’universo si<br />
espande, più si raffredda. Quando<br />
diminuisce la temperatura, le particelle<br />
possono aggregarsi. Si formano protoni<br />
e neutroni (adroni)<br />
Dopo circa 3 secondi, si formano i primi nuclei di atomi.<br />
Protoni e neutroni si associano a formare nuclei di<br />
idrogeno, elio e litio.<br />
Saranno necessari altri 300.000 anni perché gli elettroni<br />
siano catturati nelle orbite per formare atomi stabili.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
29<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Un attimo…<br />
Ma come sappiamo che l’universo si espande?<br />
Uno sguardo al cielo notturno suscita l’impressione di un<br />
universo immutabile!<br />
La nostra conoscenza <strong>del</strong>l’espansione si fonda sul<br />
fatto che siamo in grado di misurare la velocità di<br />
un corpo luminoso nella direzione <strong>del</strong> raggio<br />
visuale. La tecnica utilizzata si basa sul<br />
cosiddetto effetto Doppler
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
30<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Effetto Doppler
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
31<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
La storia <strong>del</strong>l’astronomia è<br />
una storia di orizzonti che si<br />
allontanano<br />
Hubble<br />
<strong>Le</strong>gge di Hubble<br />
Lo spostamento verso il rosso<br />
<strong>del</strong>la luce <strong>del</strong>le galassie<br />
aumenta in proporzione alla<br />
loro distanza.<br />
Questo è il risultato naturale<br />
predetto per un universo in<br />
espansione!
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
32<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Non solo…<br />
Se tutte le galassie si allontanano l’una dall’altra in passato<br />
erano vicine.<br />
Se la loro velocità è proporzionale alla distanza attuale, il<br />
<strong>tempo</strong> trascorso è identico per ogni coppia di galassie<br />
scelte a piacere.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
33<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Concetti chiave - 2<br />
Recessione <strong>del</strong>le galassie: gli<br />
oggetti distanti appaiono in<br />
allontanamento da noi<br />
Dopo il Big Bang, l'universo<br />
si espande ed ancora oggi è<br />
in espansione<br />
CMB: noi siamo immersi<br />
nella luce primordiale, i<br />
fotoni <strong>del</strong> fondo cosmico a<br />
microonde
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
34<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
L'universo si espande!<br />
… torniamo al big bang
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
35<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Formazione degli adroni<br />
Quark di tre differenti colori<br />
si combinano per formare un<br />
adrone.<br />
Un tipo di combinazione dà un<br />
barione stabile (un protone) con<br />
carica positiva +1. Un’altra un<br />
barione neutro, il neutrone.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
36<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Formazione dei nuclei<br />
Combinazione dei barioni (adroni stabili) in nuclei<br />
atomici, principalmente idrogeno, elio e litio.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
37<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
E’ tutto opaco!<br />
Per 300.000 anni nuclei e protoni continuano a vagare in un<br />
mare opaco di fotoni, elettroni e neutrini. Opaco perché i<br />
fotoni non possono viaggiare senza essere immediatamente<br />
colpiti da un’altra particella. La materia e la radiazione sono<br />
intimamente legate.<br />
Ma circa 300.000 anni dopo il big bang, questo mare opaco<br />
comincia a rischiararsi. La temperatura scende a 3.000 K.<br />
L’energia dei fotoni non è più sufficiente a liberare gli<br />
elettroni dai nuclei. I fotoni diventano liberi di viaggiare.<br />
Quest’era dura circa 1 milione di anni e si chiama<br />
ricombinazione.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
38<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Ricombinazione<br />
Formazione <strong>del</strong>la materia atomica stabile.<br />
L’universo si è raffreddato a sufficienza: i fotoni non hanno<br />
più abbastanza energia per dissociare gli elettroni dai<br />
nuclei a cui sono legati.<br />
Una volta disaccoppiati dalla materia, i fotoni sono liberi di<br />
viaggiare. Il cosmo, prima di adesso caldo, denso e opaco,<br />
diventa trasparente alla radiazione elettromagnetica.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
L’universo diviene trasparente<br />
La cattura degli elettroni e la formazione<br />
di atomi neutri (~300.000 anni dopo il big<br />
bang) ha reso l’universo trasparente alla<br />
radiazione.<br />
I fotoni inizialmente in equilibrio con la materia<br />
possono d’ora in poi viaggiare liberamente<br />
nell’universo in espansione.<br />
39<br />
In 14 miliardi di anni ci raggiungono e ci appaiono<br />
come CMB!
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
40<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Se le galassie non esistessero…<br />
…non avremmo alcun problema a spiegare il fatto!<br />
Perché oggi l’universo è così pieno di strutture (galassie,<br />
ammassi, superammassi)?
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Un messaggio nel cielo<br />
La radiazione cosmica di fondo è<br />
un messaggio lasciato (300.000<br />
anni dopo il big bang) in ogni<br />
luogo <strong>del</strong>l’universo.<br />
La temperatura <strong>del</strong>la CMB è una prova<br />
diretta <strong>del</strong>l’espansione cosmica<br />
La CMB porta con sé la<br />
testimonianza <strong>del</strong>le deviazioni<br />
primordiali dalla uniformità:<br />
41<br />
Tutte le strutture <strong>del</strong>l’universo si sono evolute dalle fluttuazioni<br />
primordiali di densità sotto l’azione <strong>del</strong>la gravità.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
42<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Concetti chiave - 3<br />
CMB è la luce primordiale<br />
Temperatura di circa 3 gradi kelvin<br />
Lunghezza d'onda mm-cm<br />
Circa 400 fotoni per cm cubo<br />
Si può guardare in TV!<br />
La temperatura <strong>del</strong> CMB è leggermente<br />
differente in differente parti <strong>del</strong> cielo per<br />
1 parte su 100.000
43<br />
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
1965: Penzias & Wilson<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
1992: COBE<br />
2001: WMAP
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
44<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
CMB: il mare di fotoni<br />
Il mare di fotoni creato durante le epoche precedenti la ricombinazione<br />
persiste fino a oggi, nella forma <strong>del</strong> fondo cosmico a microonde che<br />
pervade l’intero universo.<br />
Non più tanto energetica, perché stirata dall’espansione per circa 14 miliardi<br />
di anni, la radiazione si è raffreddata fino a –270,43 gradi centigradi.<br />
Questa radiazione è considerata un indizio molto forte a favore <strong>del</strong>la teoria<br />
<strong>del</strong> Big Bang.<br />
La sua uniformità (poche parti su 100.000) indica che l’universo era molto<br />
uniforme al <strong>tempo</strong> <strong>del</strong>la ricombinazione.<br />
Minuscole variazioni sono state trovate in tempi recenti. Indicano fluttuazioni<br />
nella densità di materia alla ricombinazione. Queste variazioni,<br />
amplificate dalla gravità, sono alla base <strong>del</strong>la formazione degli oggetti che<br />
compongono il nostro universo gerarchico: stelle, galassie, ammassi di<br />
galassie e superammassi.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
45<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Fluttuazioni naturali…<br />
Luoghi in cui la densità di<br />
materia era più alta <strong>del</strong>la<br />
media venivano formati a<br />
causa <strong>del</strong>l’attrazione<br />
gravitazionale, a spese<br />
<strong>del</strong>le aree circostanti, e<br />
poi, avendo assunto una<br />
massa ancora maggiore,<br />
avrebbero attratto altro<br />
gas fino ad assemblarne a<br />
sufficienza per creare una<br />
stella o, forse, un’intera<br />
galassia.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
46<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Gravità e … amore<br />
La gravità non è responsabile<br />
<strong>del</strong>le persone che cadono<br />
innamorate (A.Einstein)
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
We are all made of stars<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
All'inizio <strong>del</strong><strong>l'Universo</strong> i soli elementi creati furono<br />
idrogeno, elio e litio. Noi siamo forme di vita basate sul<br />
carbonio, siamo fatti di e beviamo acqua e respiriamo<br />
ossigeno. Carbonio e ossigeno non furono creati con il<br />
Big Bang, ma molto più tardi nelle stelle.<br />
Ma come sono nate le stelle? Dalle piccole fluttuazioni<br />
nel<strong>l'Universo</strong> primordiale, amplificate nel <strong>tempo</strong> dalla<br />
gravità. <strong>Le</strong> fluttuazioni e la gravità sono la fabbrica <strong>del</strong>le<br />
stelle, e dunque <strong>del</strong>la vita.<br />
Una piccola fluttuazione di materia è tutto ciò di cui la<br />
gravità ha bisogno per fare il suo lungo lavoro.<br />
Ed alla fine, dunque, la gravità è anche responsabile <strong>del</strong>le<br />
persone che cadono innamorate!<br />
47
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
48<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Nascono le galassie<br />
Dalle minime fluttuazioni di materia (barionica, principalmente gas<br />
di idrogeno e elio), con l’aiuto <strong>del</strong>l’attrazione gravitazionale fra<br />
gli atomi, si formano nubi di gas. La gravità interna di queste<br />
cresce piuttosto rapidamente.<br />
Prima lentamente, poi sempre più velocemente, le nubi di gas<br />
catturano sempre più materiale dal mezzo che le avvolge. Alla<br />
fine, le nubi iniziano a collassare sotto l’effetto <strong>del</strong>la loro stessa<br />
gravità ed evolvono nelle prime galassie.<br />
Circa 200 milioni di anni dopo il big bang, nascono le prime galassie<br />
e le stelle al loro interno.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
49<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
L’origine <strong>del</strong>le strutture cosmiche<br />
Tutte le strutture (galassie, ammassi<br />
di galassie, …) <strong>del</strong>l’universo si sono<br />
originate da fluttuazioni di densità<br />
infinitesime impresse nell’universo<br />
all’origine <strong>del</strong> <strong>tempo</strong>.<br />
La causa ultima <strong>del</strong>la possibilità di formare strutture<br />
nell’universo risiede nel suo stato di forte disequilibrio globale.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
50<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
La formazione <strong>del</strong>le strutture<br />
Nel nostro universo dominato da<br />
materia oscura “fredda” e da energia oscura<br />
(energia <strong>del</strong> vuoto primordiale) le strutture<br />
cosmiche si formano nei punti piu’ densi<br />
<strong>del</strong>la “rete cosmica”.<br />
La rete<br />
cosmica<br />
<strong>Le</strong> protostrutture<br />
proto<br />
galassie<br />
galassie
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
51<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Dai semi alle galassie<br />
1) Fluttuazioni di temperatura nel CMB:<br />
corrispondono a piccole inomogeneità di<br />
materia;<br />
2) La materia comincia ad aggregarsi nelle<br />
zone di maggiore densità;<br />
3) <strong>Le</strong> prime stelle: il gas si aggrega e si<br />
riscalda abbastanza da dare inizio a<br />
fusioni nucleari;<br />
4) <strong>Le</strong> galassie si formano lungo i filamenti;<br />
5) L'era moderna: milioni di galassie, e tutte<br />
dai semi visti da WMAP!
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
52<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Concetti chiave - 4<br />
Guardando oggetti lontani, guardiamo indietro nel<br />
<strong>tempo</strong><br />
Nei primi 300.000 anni di vita, l'universo era una<br />
grande zuppa di particelle!<br />
La radiazione CMB è emessa quando l'universo ha<br />
circa 300.000 anni. In essa sono visibili i semi<br />
<strong>del</strong>le galassie.<br />
<strong>Le</strong> stelle e le galassie si formano da questi semi<br />
quando l'universo ha alcune centinaia di milioni di<br />
anni.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
53<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Concetti chiave - 5<br />
<strong>Le</strong> rughe <strong>del</strong> CMB rappresentano colline e vallate<br />
La materia cade e e si accumula nelle vallate<br />
Gli oggetti densi come le galassie si formano<br />
all'interno <strong>del</strong>le vallate
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
54<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
L’universo moderno<br />
• Quanta materia contiene?<br />
• Che tipo di materia lo riempie?<br />
• Qual è la forma <strong>del</strong> cosmo?<br />
Per rispondere a queste<br />
domande i cosmologi<br />
usano un gran numero di<br />
strumenti. Computer<br />
superpotenti, telescopi a<br />
terra e su satelliti.<br />
Osservazione, nuove<br />
teorie e calcolo sono le<br />
chiavi che ci consentono<br />
di provare a rispondere.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
55<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Archeologia o astronomia?<br />
L’universo moderno non è davvero moderno…<br />
I telescopi sono macchine <strong>del</strong> <strong>tempo</strong>!<br />
Gli astronomi che guardano il cielo a distanze di miliardi di anni luce stanno<br />
in realtà guardando indietro nel <strong>tempo</strong>. La luce, o altra emissione, che noi<br />
vediamo oggi impiega miliardi di anni per giungere a noi. Così noi<br />
vediamo il cielo come era allora, non come è oggi!<br />
I telescopi sono dunque come macchine <strong>del</strong> <strong>tempo</strong> che ci aiutano ad imparare<br />
di più sulle origini e sulla storia <strong>del</strong>l’universo.<br />
La cosmologia è l’archeologia <strong>del</strong>l’universo
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
56<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
L’universo gerarchico<br />
L’universo visibile è un universo gerarchico. I pianeti si muovono intorno<br />
alle stelle, le stelle si raggruppano insieme e danzano attorno al centro<br />
<strong>del</strong>le galassie. <strong>Le</strong> galassie formano ammassi di galassie. E gli ammassi<br />
si riuniscono in superammassi, ciascuno contenente migliaia di galassie<br />
e dalle dimensioni di molte centinaia di milioni di anni luce.<br />
Questi superammassi sono organizzati in strutture filamentari o piane,<br />
fra le quali si trovano giganteschi vuoti (o spazio apparentemente<br />
vuoto)
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
<strong>Le</strong> strutture cosmiche<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Vuoti<br />
(d=10-30 Mpc)<br />
Filamenti<br />
(l=20-100 Mpc)<br />
Ammassi di<br />
galassie<br />
(d=1-3 Mpc)<br />
19<br />
1<br />
kpc<br />
=<br />
3•<br />
⋅<br />
10<br />
m<br />
22<br />
1<br />
Mpc<br />
=<br />
3•<br />
⋅<br />
10<br />
m<br />
Galassie<br />
(d=10 kpc)<br />
57<br />
1 Mpc = 3•10 22 m
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
58<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Concetti chiave - 6<br />
<strong>Le</strong> rughe <strong>del</strong> CMB sono i semi da cui originano<br />
tutte le strutture cosmiche per instabilità<br />
gravitazionale<br />
Questi semi sono stati osservati dalle missioni<br />
COBE (1992) e WMAP (2001): questa è una<br />
conferma molto forte <strong>del</strong>la teoria <strong>del</strong> big bang<br />
L'osservazione di questi semi fornisce informazioni<br />
importanti sulla formazione <strong>del</strong>le strutture
59<br />
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
Il futuro<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Some say the world will end in fire, others in ice<br />
Robert Frost<br />
Universo aperto o chiuso?<br />
L'evoluzione <strong>del</strong><strong>l'Universo</strong> è<br />
determinata dalla lotta fra<br />
l'espansione e la forza di gravità.<br />
La forza di gravità dipende<br />
essenzialmente dalla densità. Se la<br />
densità <strong>del</strong><strong>l'Universo</strong> è inferiore<br />
ad una densità critica, allora<br />
<strong>l'Universo</strong> si espanderà per<br />
sempre. Se la densità è più grande,<br />
alla fine la gravità avrà la meglio e<br />
<strong>l'Universo</strong> collasserà su sé stesso.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Il Rubicone cosmico<br />
Il mo<strong>del</strong>lo <strong>del</strong> big bang<br />
predice un’espansione vicina<br />
al limite critico fra espansione<br />
perpetua e contrazione finale,<br />
ma non indica su quale sponda<br />
di questo Rubicone cosmico ci<br />
troviamo<br />
60<br />
La separazione fra gli universi destinati a espandersi per<br />
sempre e quelli destinati al big crunch è piccolissima.<br />
L’inflazione ci dice che ci troviamo vicino al limite critico per<br />
una parte su 10.000.<br />
Qual è la densità <strong>del</strong>l’universo? è dunque la domanda chiave
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
61<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Densità e destino<br />
La quantità di materia che osserviamo, direttamente o indirettamente,<br />
ammonta a non più <strong>del</strong> 30% <strong>del</strong>la densità critica.<br />
Vivremmo cioè in un universo aperto.<br />
Tuttavia altri solidi indizi <strong>del</strong>l'astrofisica ci portano ad ipotizzare<br />
l'esistenza di quantità di energia oscura tali da portare il valore<br />
<strong>del</strong>la densità <strong>del</strong>l'‘universo vicino a quello critico.<br />
In sostanza, quale sarà il destino <strong>del</strong> nostro universo è un mistero.<br />
Così come è un mistero la natura <strong>del</strong>la materia oscura: è formata<br />
da neutrini? Da particelle appartenenti ad una fisica ancora poco<br />
nota? Da particelle di una fisica <strong>del</strong> tutto ignota?
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
62<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Il destino <strong>del</strong>l’universo<br />
Il nostro universo continuerà ad espandersi per sempre?<br />
La risposta è nascosta nella equazione <strong>del</strong>la densità<br />
equazione di (Dio) Friedman-<strong>Le</strong>maitre<br />
I dati più recenti indicano:<br />
Universo in espansione<br />
continua<br />
dominato da materia oscura<br />
energia oscura
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
63<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Torniamo all’inizio…<br />
o prima <strong>del</strong>l’inizio<br />
L’inizio apparente <strong>del</strong>l’espansione è l’inizio solo di un<br />
periodo di espansione nella storia <strong>del</strong>l’universo o è il<br />
segnale <strong>del</strong>l’inizio <strong>del</strong>l’universo nella sua totalità?<br />
Nel secondo caso, nascono con esso il <strong>tempo</strong>, lo spazio e<br />
le leggi di natura.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
<strong>Le</strong>gge di Penrose<br />
Roger Penrose ha mostrato che se<br />
✗<br />
✗<br />
✗<br />
✗<br />
La gravità è attrattiva e agisce su tutto<br />
L’universo è in espansione e contiene una<br />
quantità sufficiente di materia<br />
Il viaggio nel <strong>tempo</strong> è impossibile<br />
allora<br />
64<br />
la relatività generale richiede che<br />
lo spazio e il <strong>tempo</strong> abbiano fine<br />
in un punto <strong>del</strong> passato!
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
65<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Purtroppo però…<br />
Nessuna <strong>del</strong>le tre condizioni<br />
elencate è ovvia!
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
66<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Se ciò non bastasse…<br />
Abbiamo fin qui parlato <strong>del</strong> <strong>tempo</strong> con fare<br />
disinvolto assumendo il suo significato privo di<br />
ambiguità.<br />
Purtroppo ciò non è così ovvio. Anzi…<br />
Nulla richiede che il concetto di <strong>tempo</strong> proprio si<br />
applichi all’universo nella sua totalità.<br />
Qual è, se c’è, il <strong>tempo</strong> cosmico fondamentale?
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
67<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Il <strong>tempo</strong> cosmico<br />
Viaggiamo a ritroso fino al big bang.<br />
Come misuriamo il <strong>tempo</strong>?<br />
Un orologio funzionerebbe per poco <strong>tempo</strong>, il nucleo atomico a un certo punto si<br />
disgrega, ogni cosa si frantuma più ci avviciniamo al big bang.<br />
Forse si può misurare con la curvatura <strong>del</strong>lo spazio, ma questo orologio misurerebbe un<br />
<strong>tempo</strong> infinito durante un <strong>tempo</strong> finito <strong>del</strong> convenzionale <strong>tempo</strong> proprio.<br />
Il rischio è quello di creare un nuovo paradosso di Zenone.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
68<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Il <strong>tempo</strong> quantistico<br />
Il significato <strong>del</strong> <strong>tempo</strong> crea enigmi cosmologici<br />
fondamentali. Se poi si cerca di creare una<br />
cosmologia quantistica, ne segue che è molto<br />
difficile capire come inserirvi il concetto di<br />
<strong>tempo</strong>.<br />
In breve, il problema <strong>del</strong> <strong>tempo</strong> nella cosmologia<br />
quantistica rimane, attualmente, un mistero.<br />
Il <strong>tempo</strong> potrebbe … anche non esistere!
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
69<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
Una provocazione?<br />
«Per noi, fisici di fede, la separazione tra<br />
passato, presente e futuro ha solo il<br />
significato di un'illusione, per quanto<br />
tenace» (A. Einstein)<br />
Secondo Julian Barbour, la fisica deve essere rifondata basandosi sull'idea che<br />
il mutamento misura il <strong>tempo</strong> e non viceversa: il <strong>tempo</strong> non è una misura <strong>del</strong><br />
mutamento.<br />
A suo parere le equazioni di Einstein non descrivono la geometria di uno spazio-<strong>tempo</strong> a<br />
quattro dimensioni, bensì l'evoluzione di spazi tridimensionali, fissati in una dimensione<br />
<strong>del</strong> tutto a<strong>tempo</strong>rale. Dunque, deve esistere qualcosa di statico che ci fornisce<br />
costantemente l'illusione <strong>del</strong> mutamento. Una terra di innumerevoli Adesso, battezzata<br />
Platonia, i quali ci forniscono la sensazione illusoria <strong>del</strong> passato e <strong>del</strong> futuro, <strong>del</strong>la storia e<br />
<strong>del</strong> mutamento. Persino <strong>del</strong>l'identità personale. Gli Adesso (simili a monadi leibniziane)<br />
non possono essere inseriti nella visione tradizionale di un prima e di un dopo presenti in<br />
un <strong>tempo</strong> oggettivo o assoluto. Oggettivi e reali sono invece proprio gli Adesso.
le <strong>pieghe</strong> <strong>del</strong> <strong>tempo</strong><br />
70<br />
a. pagliaro (16.03.05)<br />
E ancora…<br />
Una scienza che si rispetti deve trovare una causa<br />
per ogni evento (legge di David Hume)<br />
Qual è la causa <strong>del</strong> big bang?<br />
Ciò che può essere detto si può<br />
dire chiaramente; e su ciò di cui<br />
non si può parlare, si deve tacere<br />
L. Wittgenstein