La misura dello spazio-tempo
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viene proposto il modello standard di evoluzione dell'Universo con riferimento ad alcune tematiche particolari
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La misura dello spazio-tempo
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- 2. Belle sono le cose che vediamo, Ancor pi湛 belle quelle che comprendiamo, ma di gran lunga le pi湛 belle sono quelle che non comprendiamo. Nicola Stenone, 1638-1686 www.astronomiavallidelnoce.it
- 3. Cos竪 la cosmologia La cosmologia 竪 la scienza che studia lorigine, levoluzione, la struttura e le propriet dell'universo. www.astronomiavallidelnoce.it
- 4. Le domande Come 竪 fatto lUniverso ? Come 竪 nato lUniverso ? Come evolve lUniverso ? Perch辿 竪 nato lUniverso ? www.astronomiavallidelnoce.it
- 5. Le cosmologie del passato Greci Romani Cinesi Egizi Maya Inca Arabi www.astronomiavallidelnoce.it
- 6. Cosmologia Linizio della cosmologia moderna risale allinizio del secolo scorso. Prima la cosmologia era dominata dalla speculazione mitologica, successivamente il piano si 辿 spostato al mondo fisico- scientifico. La scoperta fondamentale 辿 stata lespansione delluniverso), da cui sono derivate la previsione e in seguito la scoperta della radiazione fossile di fondo. www.astronomiavallidelnoce.it
- 7. Le tappe della cosmologia moderna 1916 Einstein Teoria della Relativit 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 www.astronomiavallidelnoce.it
- 8. Einstein Nel 1916 nella memoria intitolata: Die Grundlagen der allgemeinen Relativit辰tstheorie, espose in forma definitiva la sua teoria della relativit generale, dove, in base al postulato dell'equivalenza fra tutti i sistemi inerziali e non inerziali, formul嘆 una nuova teoria della gravitazione in cui il campo gravitazionale generato da ogni corpo materiale 竪 rappresentato come una modificazione delle propriet geometriche dello spazio fisico. www.astronomiavallidelnoce.it
- 9. Teoria dello stato stazionario Luniverso 竪 sempre esistito. Non 竪 nato e non morir. cos狸 com竪. Einstein dalle sue equazioni di campo dedusse un universo in espansione, ma ci嘆 era in contrasto con la mentalit comune e lo indusse ad inserire una costante cosmologica che rendesse luniverso statico. www.astronomiavallidelnoce.it
- 10. Latomo primevo di Lema樽tre Georges Lema樽tre fu il primo a proporre che luniverso fosse stato originato da quello che egli chiam嘆 latomo primevo, una sfera pi湛 o meno delle dimensioni dellorbita 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. www.astronomiavallidelnoce.it
- 11. Spazio che lievita Hubble fu il primo a scoprire che le galassie si allontanavano le une dalle altre. Egli stabil狸 la famosa relazione: v = H d dove v 辿 la velocit di allontanamento delle galassie, d la loro distanza e H la cosiddetta costante di Hubble. www.astronomiavallidelnoce.it
- 12. Leffetto Doppler Leffetto Doppler 辿 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 辿 stato studiato per la prima volta con onde sonore in cui cambia frequenza dellonda. www.astronomiavallidelnoce.it
- 13. Luniverso si espande Per immaginare lespansione delluniverso dobbiamo immaginare che luniverso sia la superficie di un palloncino che si gonfia. Ogni punto vedr gli altri allontanarsi, ma 辿 impossibile darne un centro. Non esiste semplicemente, 辿 tutto lo spazio-tempo che si espande. www.astronomiavallidelnoce.it
- 14. Ma dove Molto spesso si chiede, ma in quale spazio luniverso si sta espandendo? La risposta 辿 in nessuno. Luniverso non 辿 una entit contenuta in uno spazio esterno. Luniverso 辿 tutto e contiene tutto, perci嘆 non ha senso la domanda. www.astronomiavallidelnoce.it
- 15. Let delluniverso Un modo pratico per conoscere let delluniverso 辿 quello di conoscere la costante di Hubble H. Infatti possiamo calcolare un limite superiore di tale valore con la relazione: t = 1/H www.astronomiavallidelnoce.it
- 16. Lincostante costante di Hubble Sfortunatamente il valore della costante di Hubble non 辿 conosciuto con precisione, vari metodi danno diversi risultati. Valore molto accreditato 辿 55 km/s per Mpc www.astronomiavallidelnoce.it
- 17. Il modello standard Il modello standard 辿 stato elaborato da Friedmann, e sviluppato da Lema樽tre, Robertson e Walker, presenta molte affinit con i dati osservativi, ma presenta dei gravi problemi. Non spiega lorizzonte cosmico e risulta instabile cio竪 sembra collassare molto rapidamente, ma in confronto pu嘆 prevedere levoluzione temporale delluniverso. www.astronomiavallidelnoce.it
- 18. Il Big Bang Oggi quasi tutti i cosmologi ritengono che luniverso sia nato da unimmane esplosione avvenuta circa quindici miliardi di anni fa e partita da un punto estremamente piccolo, caldo e denso. In meno di mezzo secolo luniverso statico di Newton 辿 diventato unentit dinamica, in espansione, mobile quanto violenta. www.astronomiavallidelnoce.it
- 19. Il principio cosmologico Luniverso 竪 omogeneo e isotropo su grande scala, cio竪 tutti gli osservatori vedono propriet identiche (omogeneit) e tali osservatori non vedono direzioni privilegiate (isotropia). Tale osservazione, solo superficialmente banale, 竪 assai importante, poich辿 ci assicura che le leggi della fisica che conosciamo possono essere valide anche a milioni o miliardi di anni luce da noi. www.astronomiavallidelnoce.it
- 20. Lorigine di tutto I fisici ritengono che luniverso al tempo zero abbia avuto raggio zero e densit, 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. www.astronomiavallidelnoce.it
- 21. Lorizzonte delle particelle Va ricordato che le informazioni (radiazione elettromagnetica) viaggiano ad una velocit finita e pari alla velocit della luce nel vuoto (circa 300000 km/s). Lorizzonte di cui abbiamo coscienza ha un raggio pari a r = c t Dove c 辿 la velocit della luce e t il tempo. www.astronomiavallidelnoce.it
- 22. Linflazione Per risolvere i problemi del modello standard utilizziamo lidea di Guth, poi sviluppata da Linde, che prevede nella fase iniziale di nascita delluniverso una brusca accelerazione. www.astronomiavallidelnoce.it
- 23. Problema La teoria inflazionistica non pu嘆 essere ripetuta in laboratorio e attualmente rappresenta la migliore spiegazione che si possa dare. Tuttavia presenta un problema: prevede come densit 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. www.astronomiavallidelnoce.it
- 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 辿 stata trovata e corrisponde a 2.735 K. www.astronomiavallidelnoce.it
- 25. COBE Cosmic Background Explorer Proiezione della temperatura della radiazione cosmica di fondo, all-sky. Temperatura media: 2,726 K Affinch辿 potessero nascere le galassie e le stelle era necessario che la radiazione fossile di fondo presentasse delle disomogeneit che sono state effettivamente misurate da COBE. www.astronomiavallidelnoce.it
- 26. COBE Cosmic Background Explorer www.astronomiavallidelnoce.it
- 27. Le ere delluniverso Era quantistica Era inflattiva Confinamento dei Quark Era del plasma Era nucleare Fine dellepoca della radiazione Era della materia www.astronomiavallidelnoce.it
- 28. Tempo e lunghezza di Planck Tempo e lunghezza di Planck sono definite in base a costanti della fisica, dunque dovrebbero essere riconosciute universalmente: www.astronomiavallidelnoce.it
- 29. Era speculativa Planck: ununica forza fondamentale. Equivalenza di fermioni e bosoni. GUT: linflazione 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. www.astronomiavallidelnoce.it
- 30. Era elettrodebole Linterazione forte si separa dallelettrodebole. 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竪 equilibrio tra fotoni e coppie di elettroni e positroni. p + n = D Formazione di nuclei di D, He3, He4, Li7. www.astronomiavallidelnoce.it
- 31. Era dominata dalla materia Si cominciano a formare gli atomi neutri e il gas diventa trasparente alla radiazione. www.astronomiavallidelnoce.it
- 32. I mattoni del tutto Ci sono particelle che sono i mattoni di tutti gli elementi, mentre altre sono le responsabili dellinterazione tra le quattro forze in natura: gravitazionale, nucleare forte, nucleare debole, elettromagnetica. www.astronomiavallidelnoce.it
- 33. Gli elementi Lelemento pi湛 abbondante delluniverso 辿 lidrogeno ma abitualmente vediamo che ne esistono molti altri e in percentuali molto diverse. www.astronomiavallidelnoce.it
- 34. Materia e antimateria La creazione di ogni particella 辿 accompagnata dalla rispettiva creazione della sua antiparticella, cos狸 accanto alla materia troviamo lantimateria. Quando una particella si incontra con la sua antiparticella queste si annichilano, cio竪 si elidono producendo energia. www.astronomiavallidelnoce.it
- 35. Perch辿 il mondo 辿 di materia Ma perch辿 il mondo che vediamo 辿 fatto di materia data la simmetria tra le particelle? Questo 辿 dovuto al fatto che si 辿 scoperto che per alcune particelle il tempo di decadimento (morte) 辿 maggiore di quello della rispettiva antiparticella. Sfortunatamente noi non siamo in grado di capire se viviamo in un mondo di materia o di antimateria. www.astronomiavallidelnoce.it
- 36. Dove nascono gli elementi pesanti Si suppone che nel calderone primordiale successivamente allidrogeno si siano formati deuterio, elio ed altri elementi leggeri (Alpher, Bethe, Gamow), ma la vera produzione di elementi pesanti 辿 stata realizzata allinterno delle stelle (von Weizacker, Fermi, Hoyle, Fowler, M. e G. Burbidge). www.astronomiavallidelnoce.it
- 37. Levoluzione delluniverso Parametro indispensabile 辿 la densit critica. In base a tale valore si possono avere tre tipi di universo: universo aperto, universo critico, universo chiuso. www.astronomiavallidelnoce.it
- 38. Universo chiuso Se la densit critica 辿 maggiore di uno, abbiamo un universo chiuso. In altre parole luniverso inesorabilmente collider su se stesso a causa della forza di gravit叩 e si verificher il cosiddetto Big Crunch. Da tale punto a sua volta potrebbe nascere un nuovo universo. www.astronomiavallidelnoce.it
- 39. Universo aperto Si ha un universo aperto quando la densit critica 辿 minore di uno. Questo tipo di universo presenta unespansione senza fine in cui tutto 辿 destinato a morire spegnendosi. Questo 辿 ci嘆 che viene definita morte termica delluniverso. www.astronomiavallidelnoce.it
- 40. Universo critico Con universo critico si intende che la densit critica ha il valore esatto di uno. Questo tipo di universo 辿 lintermezzo tra universo aperto e chiuso. Luniverso si espande fino ad un certo punto poi cessa la sua espansione tuttavia non contraendosi su se stesso. www.astronomiavallidelnoce.it
- 41. La massa mancante Ci si accorse che la materia visibile era troppo poca per mantenere stabile le galassie nonch辿 gli ammassi. Utilizzando le leggi di gravitazione si scopr狸 che doveva esistere della materia che non era visibile. Il primo esperimento che diede risultati fu quello della scoperta della compagna di Sirio. www.astronomiavallidelnoce.it
- 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, cio竪 di tornare indietro. come se una tazzina rotta si ricomponesse da sola!?!?! Ma se cos狸 fosse noi potremmo viaggiare nel tempo e lo spazio?!?! www.astronomiavallidelnoce.it
- 43. Entropia e la freccia termodinamica Il secondo principio della termodinamica ci assicura che una tazzina rotta non potr mai aggiustarsi da sola e da una precisa indicazione di come evolvono le strutture nelluniverso. www.astronomiavallidelnoce.it
- 44. Morte entropica delluniverso Se luniverso fosse aperto o critico quello che succederebbe 竪 che ad un certo punto le distanze tra gli oggetti sarebbero tale che con la morte delle stelle (nane nere) non ci sarebbe pi湛 la possibilit di creare nuove generazioni stellari. www.astronomiavallidelnoce.it
- 45. Universi infiniti Sfortunatamente nulla possiamo dire sullesistenza di altri universi. Potrebbero esisterne in quantit inimmaginabili o ci potrebbe essere solo il nostro. A questo la fisica non pu嘆 rispondere come non pu嘆 affrontare domande se esista un dio creatore. www.astronomiavallidelnoce.it
- 48. Cosa cera prima Cosa cera prima? Questa domanda fa parte pi湛 della metafisica che della fisica, anche se alcuni fisici, specialmente delle particelle, cercano di spiegare ogni istante delluniverso sviluppando idee su ci嘆 che ci sarebbe stato prima utilizzando potenti acceleratori di particelle. www.astronomiavallidelnoce.it
- 49. Da dove si 辿 formato luniverso Alla domanda da dove si sia formato luniverso non vi era possibilit di dare una risposta fisica fino a quando un giovane borsista Edward Tryon non pens嘆 forse luniverso non 辿 altro che una fluttuazione del vuoto. Cio竪 luniverso 辿 nato dal nulla e ci嘆 辿 possibile in quanto lenergia totale delluniverso 辿 zero. www.astronomiavallidelnoce.it
- 50. Concetto di vuoto Il vuoto a cui si fa riferimento non 辿 il vuoto nel senso comune che ha per noi il termine come assenza di materia. Il vuoto che qui interessa 辿 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. www.astronomiavallidelnoce.it
- 51. Struttura a grande scala delluniverso www.astronomiavallidelnoce.it
- 52. Formazione strutture solo materia Cluster gravitazionale Cluster gerarchico www.astronomiavallidelnoce.it
- 53. Formazione strutture anche con gas Peebles Test idrodinamico in 2D Cold Dark Matter Luniverso ai raggi X www.astronomiavallidelnoce.it
- 55. CamilleFlammarion, Astronomiapopolare,1925. Lo spettacolo delluniverso si trasfigura davanti alla nostra mente colma di stupore. Non sono pi湛 blocchi di materia, inerti ed errabondi nelleterna notte silente, che Urania ci addita nel fondo dei cieli: 竪 la vita, la vita immensa, universale, eterna, che si dispiega in flussi armoniosi fino agli orizzonti inaccessibili dellinfinito in perpetua fuga! Quale meravigliosa fuga! Quale meravigliosa impresa! Quali splendori da contemplare! Quali vastit da percorrere! una sterminata galleria di immagini, frutto delle nobili e pacifiche conquiste dellingegno umano; conquiste sublimi, che non sono costate n辿 sangue n辿 lacrime, che ci fanno vivere nella conoscenza del Vero e nella contemplazione del Bello!