Il Big Bang e l`evoluzione dell`Universo

Daniele Rotondi
dalla lezione del prof. Massimo Badiali
Concetti fondamentali
 Isotropia: l’universo appare della stessa densità da ovunque lo si
guardi.
 Universo stazionario: accettato fino al ‘900, è l’universo fisso e
immutabile.
 Infinità ≠ illimitatezza: la superficie di una sfera, ad esempio, pur
illimitata, è finita.
L’universo è infinito e illimitato, finito e illimitato o finito e limitato???
A tutt’oggi si può escludere solo l’ultima ipotesi, poiché l’universo
non presenta confini visibili.
Ma ammettiamo che sia infinito e che contenga infinite stelle, perché il
cielo notturno non appare luminosissimo??? (paradosso di Olbers)
La luce… uff…
Tutte le informazioni che
possediamo sull’Universo
provengono dalle analisi
degli spettri di emissione e
di assorbimento in tutte le
lunghezze d’onda dei suoi
componenti.
E proprio per l’effetto
Doppler che la luce subisce
che Hubble riuscì a scoprire
l’allontanamento delle
galassie e a formulare la
teoria del Big Bang
Attenzione:
con l’effetto
doppler non
varia la
velocità
dell’onda
registrata,
ma variano la
sua
frequenza e
la sua
lunghezza
d’onda
La costante di Hubble
Nel 1929, anno della grande inflazione monetaria, Hubble
osservò l’allontanamento delle galassie grazie al Red-shift delle
loro emissioni e si accorse che la relazione tra velocità di
allontanamento e distanza è (più o meno) di diretta
proporzionalità, per cui: V/d = H0 dove H0 vale 70,8±1,6
km/(s·Mpc) e rappresenta l’attuale velocità di espansione
dell’universo.
L’espansione fece intuire ad Hubble che tutto, probabilmente,
era concentrato in un unico punto che esplose circa 15 miliardi
di anni fa (1/ H0)…
La soluzione del paradosso
La luce viaggia alla velocità della luce (ma va!?!?!), ma la sua
lunghezza d’onda e la sua frequenza variano a seconda della
velocità relativa della sua sorgente (effetto Doppler), perciò la
luce delle stelle lontane appare shiftata verso altre lunghezze
d’onda fuori dal visibile… Il cielo notturno è, per questo, buio.
L’universo che noi vediamo non è infinito, ma è una
bolla di circa 14 miliardi di anni luce al cui margine vi
è il big bang…
Non è follia, si chiama Universo causale…
Il limite osservativo
La materia e l’energia viaggiano al massimo alla velocità della
luce
L’Universo è nato 14 miliardi di anni fa, circa
La luce emessa 14 miliardi di anni fa, all’inizio del tempo, ci sta
giungendo ora shiftata
A 14 miliardi di anni luce da noi, in linea teorica, si dovrebbe
vedere il big bang
 La materia che 14 miliardi di anni fa si trovava in quel punto
ora si trova (forse) 14 miliardi di anni luce più avanti e la luce
che sta emettendo ora ci arriverà, degradata, tra 14 miliardi di
anni…
Ma…
Ma, appunto, ancora l’effetto
Doppler
Non possiamo vedere oltre un muro di microonde residuo fossile di una radiazione
blu/viola (5000 k) emesso 370000 anni dopo il big bang, quando i fotoni, per il
confinamento dei nuclei atomici, si trovarono liberi di viaggiare senza ostacoli…
È una radiazione uniforme per tutto l’universo a 2.73 k e costituisce la prova più eclatante
della teoria del big bang; le piccolissime oscillazioni di 70 milionesimi di grado registrate
sono riconducibili agli agglomerati di materia delle galassie e degli ammassi.
Con i mezzi osservativi ottici il nostro limite è dunque 370000 anni dopo il big bang, e
prima?? Come possiamo vedere dal tempo 0 al limite osservativo??
Con gli acceleratori di particelle come LHC (CERN di Ginevra) o Tevatron (FermiLab di
Chicago) o osservando i dischi di accrescimento dei buchi neri.
Per le grandissime energie sprigionate, questi big bang in miniatura possono darci
informazioni precise sino a 10^-32 sec…
Per il prima si possono solo avanzare ipotesi, e neanche per tutto il prima…
Come mai??
Cronologia iniziale
 0 – 10-43 sec: Era di Plank, è il quanto di tempo, spazio e tempo sono
uniti a temperatura e densità infinite, tutte le forze perdono la loro
individualità in un’unica forza fondamentale, la gravità è lacerata
dalle fluttuazioni quantistiche. È una singolarità non descrivibile da
leggi. È un punto adimensionale. Sono solo ipotesi…
 10-43 – 10-35: teoria della grande unificazione delle forze
fondamentali che non comprende la gravità…
 10-35 – 10-32: inflazione, limite esperienziale delle teorie…
l’infinitamente piccolo si espande sino alle dimensioni di una mela a
velocità più alte di quella della luce per la immensa energia liberata,
le fluttuazioni dell’energia nel campo di Higgs generano le particelle
di materia e antimateria che si annichilano all’istante; una
fluttuazione di troppo forma più materia  dominio della materia.
Il dopo
Da 10-32 sec iniziano ad essere valide le leggi della relatività e della
meccanica quantistica, le forze si separano e la materia prende la forma che
conosciamo oggi, pian piano, dopo minuti, ore, secoli, si formano i primi
protoni e neutroni, i nuclei atomici, gli atomi… la radiazione fotonica
presente, bloccata dalla materia, comincia ad essere libera di propagarsi:
siamo a 370000 anni dopo il big bang…
Agglomerati di gas si compattano in milioni di anni e, un miliardo di anni
dopo nascono le prime enormi stelle (milioni di volte il Sole), i primi nuclei
galattici attivi, i primi buchi neri super massicci… 9 miliardi di anni dopo il
tempo 0 (più o meno), in un braccio a 27.000 anni luce dal centro di una
giovane galassia si accende una stella ed attorno a lei si formano 8 pianeti.
Oggi.
Il modello standard
È la toria che fino ad ora
descrive al meglio la
meccanica quantistica di
Plank, ma appare
inconciliabile con la relatività
di Einstein, oggi si sta
cercando di unificarle con una
teoria geometrica delle forze.
La meccanica quantistica ha
per basi tre forze (più la
gravità) trasportate dai
corrispettivi bosoni, il bosone
di Higgs e 12 mattoncini di
massa chiamati fermioni
(6quark e 6leptoni).
Conferme e futuro
Modello standard e Relatività, come anticipato, appaiono
inconciliabili, inoltre tutta la fisica quantistica si basa
sull’esistenza del bosone di Higgs, responsabile dell’omonimo
campo che dà massa alle particelle.
La scoperta del bosone è affidata all’LHC, ma senza conferme
sperimentali andrebbe ripensata l’intera teoria, anche alla luce
dei nuovi modelli e delle nuove teorie unificatrici, tra le quali
appare promettente la teoria delle stringhe.
Grazie per
l’attenzione! 