energia oscura

Paul J. Steinhardt
Neil Turok
19/12/2012
50930
Due modelli a confronto

Modello INFLAZIONARIO

Modello Ciclico
Modello inflazionario
Nel modello inflazionario la maggior parte
dello spazio si trova in uno stato “brado”,
non controllato soggetto a un’inflazione di
altissima energia
 Presenza di regioni cosmiche a sviluppo
diversificato : ipotesi di MULTIVERSO
 Il modello dipende dal punto di
osservazione del presente universo e dalle
condizioni di esistenza dell’uomo: potrebbe
essere diversissimo altrove
 Teoria degli universi “Incistati”

Universo ciclico






Universo pressochè uniforme dappertutto
Tutte le regioni dello spazio sono soggette ad
un’evoluzione controllata attraverso la ripetizione
regolare di una serie di cicli, che cominciano tutti con
un’esplosione (bang) e terminano con un collasso
(crunch).
Ruolo determinante dell’energia oscura come
regolatore dei cicli
Tutte le regioni producono continuamente galassie,
stelle, pianeti e probabilmente la stessa vita
L’universo è il risultato di un’evoluzione dinamica
governata dalle leggi della fisica
Presuppone la validità della“teoria delle stringhe”
Sofferenze comuni…

La costante cosmologica di E.Einstein!
Nel caso del modello INFLAZIONARIO:
Il minuscolo valore della costante è attribuito al caso e ad una sorta di
“selezione antropica”
Nel caso del modello CICLICO:
Il valore osservato della costante può essere spiegato come conseguenza
di uno sviluppo molto lento che ha luogo nel corso di molti cicli evolutivi
ripetuti.
“Un punto di partenza…”






2001 – Lancio del satellite missione WMAP (Wilkinson
Microwave Anisotropy Probe”
Evoluzione del COBE (Cosmic Background Explorer
lanciato dalla NASA nel 1989 con cui si ebbe una prima
immagine a bassa risoluzione dell’universo primordiale
Scopo: Raccolta di dati sulla luce emessa dallo “strato
oscuro” 14 miliardi di anni fa.
Rilevazione: Ogni 2.2 min il satellite compie un moto di
rotazione intorno al propri asse e ogni ora un giro di
rivoluzione intorno ad un secondo asse detto di
precessione. La combinazione dei due movimenti
consente di cogliere la luce proveniente da uno stretto
anello dello spazio. Ciclo ripetuto ogni 6 mesi.
Febbraio 2003: Primi risultati scientifici del coordinamento
missione di Charles Bennett e colleghi.
Misure in accordo con le previsioni dei cosmologi…
Il fatto…

La luce proveniente dallo strato WMAP
non è influenzata dalla curvatura dello
spazio: dunque lo spazio è EUCLIDEO
cioè a CURVATURA ZERO!
Un anziano “defunto”…







Il modello Stazionario:
la materia è preesistente e distribuita uniformemente nello
spazio
Esistenza da sempre senza espansione o contrazione
Due cause del decesso:
1. 1923 Hubble, scoperta del raggruppamento della materia in
galassie distribuite in tutto l’universo: le galassie si spostano le
une dalle altre e lo spazio è in espansione
2. 1963 Arno Penzias e Robert Wilson (Bell Laboratory)
scoperta della radiazione cosmica di fondo: evidenza diretta di
un periodo in cui la tempratura e la densità dell’Universo erano
maggiori di quelle attuali
Affermazione del modello dell’ESPANSIONE DELL’UNIVERSO
elaborato da Alexander Friedmann e George Lamaitre (su base
relatività), sviluppato da George Gamow (anni 40’): Universo
fatto di MATERIA ORDINARIA
Due ospiti inquietanti…!

MATERIA OSCURA (Anni 30’ Fritz Zwicky,
Anni 80’) : per spiegare il moto osservato
all’interno delle galassie e negli ammassi di
galassie (fenomeno del lensing gravitazionale)

ENERGIA OSCURA (primi anni 90’): da studi
su velocità di recessione di supernove di tipo
Ia, confrontate con quelle più vicine per
spiegare l’attuale accelerazione dell’universo;
gravitazionalmente REPULSIVA (vedi costante
cosmologica : energia “del vuoto”)
Lensing Gravitazionale
Energia oscura…
Un dramma in tre atti…

I ATTO - RADIAZIONE: Le radiazioni sono la
causa principale della densità di energia

II ATTO- MATERIA: La densità delle radiazioni
cade al di sotto del livello che caratterizza
quella della materia

III ATTO – ENERGIA OSCURA: L’energia
oscura, con l’attenuarsi della densità della
materia e delle radiazioni contribuisce in
maniera preponderante alla densità di energia
dell’universo
Modello inflazionario
Sulla scena…

Nessuna curvatura dello spazio: materia e
radiazioni distribuite uniformemente

Universo semplice e comprensibile: hanno
lo stesso valore in ogni punto dello spazio
le leggi della MECCANICA QUANTISTICA,
le leggi della FISICA NUCLEARE e
STATISTICHE, che governano i processi di
combustione delle stelle, le leggi
dell’ELETTROMAGNETISMO e quelle
della DINAMICA DEI FLUIDI.
Il Colpo di scena: ATTO II
Tre rompicapo:
 Problema dell’OMOGENEITÀ
 Problema della DISOMOGENEITA’
 Problema della CURVATURA DELLO
SPAZIO

Prima della scena…

Singolarità matematica

Ipotesi di una “ENERGIA INFLAZIONARIA”
enormemente DENSA, gravitazionalmente
repulsiva, l’espansione dell’universo non ne
determina la rarefazione (la densità di energia
si distribuisce ma non diminuisce

Spettacolare e improvvisa espansione seguita
al momento iniziale, presenza del PLASMA,
presenza di DISOMOGENEITA’ che danno
origine all’ATTO II.
DECADIMENTO
DELL’ENERGIA
INFLAZIONARIA
 MATERIA ORDINARIA






RADIAZIONI
ENERGIA OSCURA
Andamento casuale…RUMORE…
…INVARIANTE DI SCALA!
Effetto delle fluttuazioni quantistiche:
Una piccola increspatura nella distribuzione di
energia su scala microscopica subisce da parte
dell’inflazione un’azione di estensione, al termine
della quale si trova ad abbracciare una distanza
cosmica: LA DISTRIBUZIONE DI ENERGIA NON E’
PERFETTAMENTE OMOGENEA
INTENSITA’ DEL CAMPO DI
HIGGS
La Ricerca di Teorie
unificate

SIMMETRIA: possibilità che diverse particelle
elementari perdano alle alte temperature le
caratteristiche che li distinguano l’una dall’altra

SUPERSIMMETRIA: con la collisione di
particelle a energie molto elevate per ogni
particella esiste una particella portatrice di
forza compagna (partner); ricerca con LHC –
Large Hadron Collider. >Comprende la
relatività e la simmetria

STRINGHE COSMICHE
Teoria dei campi e suoi limiti
Nascita da spiegazione forza
elettronucleare forte
 Se due particelle puntiformi collidono la
loro energia risulta concentrata in un punto;
si ha la formazione di un campo
gravitazionale intenso che provoca una
curvatura dello spazio e attira ancora più
energia
processo incontrollato di
collasso dello spazio
comparsa
della SINGOLARITA’ matematica
 Collasso della teoria

Teoria delle stringhe cosmiche







Stringhe vibranti che assorbono energia
attraverso le vibrazioni e rendono possibile la
sua dispersione attraverso il mutamento di
configurazione
Risultati sensati e finiti
Non si hanno discontinuità e singolarità
all’infinito
Nove dimensioni spaziali nascoste
Fioritura geometrica
Giustificazione di masse, cariche e spin delle
particelle
Presenza di membrane con 2 o più dimensioni
La Teoria (del) M (-istero)
Modello di Horava-Witten
 Solamente 2 brane
 10 dimensioni
 Sogno di Einstein di descrivere la realtà
con un’unica rappresentazione
geometrica
 Revisione del rapporto fondamentale tra
fisica e cosmologia

Universo ECPIROTICO, o della
“grande
CONFLAGRAZIONE”!...
Illustri predecessori…


Eraclito di Efeso:
“Il cosmo si genera dal fuoco e di nuovo si
risolve in fuoco periodicamente; questo
processo, che sempre si ripete con costante
alternanza nel corso perenne del tempo,
accade secondo una fatale necessità. Degli
opposti quello che porta alla genesi si chiama
guerra e contesa, l’altro che porta alla
conflagrazione si chiama concordia e pace, e
il mutamento è una via in su e in giù, a cui si
deve la formazione del cosmo.” (in Diogene
Laerzio, Vite dei filosofi, 9, I, 8)
…

Cicerone:

“ Vi sarà infine una conflagrazione
dell’intero mondo […] Non rimarrà
nient’altro che il fuoco dal quale – poiché è
pervaso di un’anima e divina è la sua
natura – si produrrà un rinnovamento del
mondo [ a quo rursum animante ac deo
renovatio mundi fieret], e il mondo
rinascerà completo delle sue parti [atque
idem ornatus oreretur] (in De Natura
deorum (II,118)
Contra…

Genesi I:

La terra era informe e vuota, le tenebre
coprivano la faccia dell'abisso e lo Spirito di
Dio aleggiava sulla superficie delle acque.
3 Dio disse: «Sia luce!» E luce fu. 4 Dio
vide che la luce era buona; e Dio separò la
luce dalle tenebre. 5 Dio chiamò la luce
«giorno» e le tenebre «notte». Fu sera, poi
fu mattina: primo giorno. (Genesi 1, 1-5)
…

Agostino:

“Ecco come rispondo a chi chiede: “che cosa faceva Dio
prima di fare il cielo e la terra?”. Non rispondo come quel
tale, che, dicono, eludendo con una facezia l’insidiosità
della domanda, rispose: “Preparava la geenna per chi
scruta i misteri profondi”. Altro è capire, altro è schernire.
Io non risponderò così. Preferirei rispondere: “Non so ciò
che non so”, anziché in modo d’attirare il ridicolo su chi ha
posto una domanda profonda, e la lode a chi diede una
risposta falsa. Invece dico che tu, Dio nostro, sei il
creatore d’ogni cosa creata; e se col nome di cielo e di
terra s’intende ogni cosa creata, arditamente dico: “Dio,
prima di fare il cielo e la terra, non faceva alcunchè”.
(Confessioni XI,12)
Specchio, specchio delle
mie…BRANE!
Il ciclo
Inflazionario Vs. Ciclico…
Il ruolo dell’energia oscura nel
modello ciclico
L’energia oscura accelera la velocità di
espansione
 Ruolo di stabilizzazione dell’energia oscura
 Ammortizzatore tra le brane convertendo
energia cinetica in energia gravitazionale
 Autointerruzione per evoluzione verso lo
stadio successivo (identificazione
dell’energia oscura con l’energia potenziale
associata alla forza di tipo elastico che
attrae le brane

Ammortizzatore cosmico…
Problemi…!

Perché l’energia non si esaurisce?

La gravità garantisce il riciclo del
movimento delle brane (potenzialmente
energia negativa illimitata): durante ciascun
ciclo una quantità finita di energia
gravitazionale è convertita
automaticamente in energia cinetica delle
brane compensando la perdita di energia
che in ciascun ciclo si trasforma in
radiazione e materia.
Milestones…
1.
2.
3.
4.
5.
La temperatura della radiazione di fondo presenta
variazioni pressochè invarianti di scala in tutto il cielo
Lo spazio è piatto (geometria euclidea)
La materia ordinaria e la materia oscura nell’universo
primordiale sono distribuite nella stessa configurazione,
con andamento dei valori oscillante, come la
temperatura della radiazione cosmica di fondo
(adiabaticità)
Distribuzione con caratteristiche di rumore casuale,
previste da teoria dell’inflazione (distribuzione
gaussiana)
L’ampiezza delle variazioni di densità di energia presenta
uno stato caratteristico di inclinazione “TILT”: deviazione
sistematica dall’invarianza di scala perfetta (minore
fluttuazione quantica al termine del processo di
inflazione).
Mappe di polarizzazione
Modello E

Modello di polarizzazione rilevato della radiazione
cosmica di fondo simile a quella riscontrata nei campi
elettrici

Fenomeno di polarizzazione dovuto allo “stiramento” della
luce dispersa che ci ha raggiunto

Diversità di polarizzazione dovuta ad onde gravitazionali
(Sia modo E che modo B, queste ultime non rilevate)

In caso di rilevazione di polarizzazione di tipo B >
conferma del modello Inflazionario > generazione di onde
gravitazionali dovute alla fine del processo inflazionario
(es. elastico rilasciato in più punti)
La costante cosmologica…

Nel modello inflazionario il minuscolo
valore della costante cosmologica (o,
equivalentemente, della densità di energia
oscura) è attribuito al caso e ad una sorta
di selezione “antropica”

Nel modello Ciclico il valore osservato della
c.c. può essere spiegato come
conseguenza di uno sviluppo molto lento
che ha luogo nel corso di molti cicli
evolutivi ripetuti
Inflazione eterna

Alan Guth: Universi incistati

Fluttuazioni quantiche responsabili del decadimento dell’energia inflazionaria in alcune
regioni prima che in altre, dovuto al sommarsi progressivo di impulsi quantici “casuali”,
che hanno accelerato o rallentato il processo di inflazione.

La piccola differenza risultante da questa sommatoria di impulsi di segno opposto
determina piccole variazioni locali della temperatura della radiazione cosmica di fondo,
come quelle documentate dall’immagine Wmap, e piccole variazioni di densità di
energia, come quelle necessarie per la formazione delle galassie

Creazione di tasche, sacche o bolge ingrandite a dismisura dall’impulso inflazionario,
tra le quali non c’è scambio di informazione e materia > INFLAZIONE ETERNA

Esito dell’inflazione non dipendente dalle condizioni iniziali >INFLAZIONE CAOTICA

Differenza di leggi fisiche evolutesi all’interno dei differenti universi > frutto del caso

Difficoltà di riferirsi ad un TEMPO COMUNE che permetterebbe la valutazione delle
condizioni dei differenti universi (non c’è un unico modo di sincronizzare gli orologi per
la relatività generale)
Novità dallo spazio…e dalla
terra!





Osservazione nulla di materia oscura (Christian Moni Bodin,
Università Conception-Cile, osservazioni presso European Southern
Observatory, La Silla), misurazione della velocità di 400 giganti rosse in
direzione del polo sud galattico: studio su quantità di materia, sia
ordinaria che oscura contenuta nel volume selezionato > a fronte di
una quantittà di materia oscura prevista di 1 kg in un volume come
quello della terra rilevazione di un valore praticamente nullo: Moto delle
stelle osservate spiegabile con la sola MATERIA ORDINARIA
Messa in crisi dei modelli di formazione delle galassie grazie da
materia oscura
(Emiliano Ricci, Le scienze, Giugno 2012)
Bosone di Higgs: il vuoto quantistico del nostro universo, calcolato
grazie al Modello standard delle interazioni fondamentali confermato
dalla scoperta del Bosone di Higgs è metastabile, > dinamica attiva
dell’energia di Planck > esistenza dei multiversi (Robero Battiston, Le
Scienze, Ottobre 2012)
>IL NOSTRO UNIVERSO caso particolare di un tipo di UNIVERSI più
probabili di altri.
Una riflessione …filosofica


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

Il modello ciclico non include la presenza di una causa prima del
mondo, ma al limite di una presenza demiurgica modellatrice; (modello
platonico)
Dinamicità chiusa nella ciclicità
Mondo chiuso
Concezione infinita del tempo
Riduzione della complessità e semplificazione della dinamicità
Il modello inflazionario o di “multiverso” rende ragione della complessità
e della dinamicità di evoluzione dell’universo, diversificantesi da
condizioni iniziali, rendendo accettabile un principio antropico e
creazionistico.
Compatibilità con le dinamiche evolutive dei SISTEMI COMPLESSI
Concezione limitata del tempo dell’universo
Rende possibile una risalita per cause ontologicamente superiori verso
la causa Prima (Tommaso).
Mondi possibili
Creazione continua …
EPILOGO
E’ un universo semplice e ciclico?
 E’ un Multi - verso diversificato e
metastabile?


…SICURAMENTE è Dinamico,
Complesso e Caotico!