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Dall’infinitamente grande all’infinitamente piccolo
29/8/2002
Roberto Bedogni
http://naomi.bo.astro.it/bedogni
Osservatorio Astronomico di Bologna
INAF
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Fisica ed Astronomia
La Fisica e l’Astronomia trattano i fenomeni dell’infinitamente piccolo e
dell’infinitamente grande utilizzando le stesse leggi ma disponendo di
metodologie d’indagine differenti
La Fisica è una scienza SPERIMENTALE che indaga i fenomeni naturali e cerca di
scoprirne le leggi fondamentali utilizzando il laboratorio per riprodurli e comprenderli.
Una volta nota una “Legge Fisica” la si utilizza per fare delle previsioni.
L’Astronomia ha come laboratorio l’intero Universo è quindi una scienza
OSSERVATIVA. Il suo scopo è quello di interpretare e scoprire nuovi fenomeni fisici su
scale, sia di distanza che temporali, maggiori della fisica sperimentale.
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L’universalità delle leggi fisiche
Le leggi della fisica hanno un valore universale ?
Non è facile costruire uno schema teorico entro il quale collocare le osservazioni relative a
quanto si osserva nell'Universo.
Esistono non solo difficoltà tecniche, inerenti alla raccolta ed interpretazione dei dati
astronomici, ma anche concettuali.
Studiando un sistema così grande come l'intero Universo, che si estende nello
spazio per migliaia di megaparsec e nel tempo per miliardi di anni, ha senso
applicare le leggi della fisica verificate nei laboratori terrestri ?
La risposta è affermativa: le stesse leggi fisiche valgono e si applicano sia al
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microcosmo che al macrocosmo !
Il criterio di semplicità o rasoio di Occam
Data una possibilità di scelta tra due diverse spiegazioni equivalenti di uno stesso
fenomeno fisico e’ bene optare sempre per quella più semplice !
E se non c'è possibilità di scelta ??
Evitare non solo i voli di fantasia ma di suffragare con la propria opinione ipotesi sempre
più complesse
Nonostante le difficoltà matematiche, le leggi fisiche sono “costrette” ad
essere semplici per poter essere “credibili” e facili da utilizzare per fare delle
previsioni.
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La meccanica celeste e la gravitazione universale
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La forza elettromagnetica
La forza elettromagnetica agisce tra le cariche
elettriche ed ha molte analogie con la forza
gravitazionale:
Ha un raggio di azione infinito e dipende dal prodotto
delle cariche elettriche
Fem ~q1q2/d2
Dove q1 e q2 sono le cariche elettriche positive o
negative mentre d=distanza tra le cariche
La differenza fondamentale con la gravità è che due
cariche dello stesso segno si respingono mentre due
cariche di segno opposto si attraggono
Fu il fisico J.C. Maxwell, anche in seguito ai lavori di
Ampère e Faraday, che nel 19esimo secolo definì le
leggi che regolavano la fisica dei fenomeni
elettromagnetici scrivendo le famose “equazioni di
Maxwell” e legando in modo indissolubile i fenomeni
elettrici a quelli magnetici
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La fisica atomica
Alla fine del 19esimo secolo la fisica aveva già gettato le basi della conoscenza di molecole
ed atomi ma mancava ancora un modello della struttura atomica.
Si sapeva che la forza che teneva “attaccati”gli elettroni al nucleo atomico era
la forza elettromagnetica ma non era chiaro come ne potessero risultare degli atomi
“stabili”.
Infatti un elettrone, orbitando attorno al nucleo atomico secondo un’orbita simile a quella
di un pianeta attorno al Sole, avrebbe perso la sua energia andando a “cadere” prima o
poi sul nucleo atomico.
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La Meccanica Quantistica
La Meccanica Quantistica definisce le leggi della Fisica per "oggetti" molto piccoli
(grandezza < di 10-8 cm) quali gli atomi, le molecole, le particelle elementari.
Si è dimostrata una teoria straordinariamente efficace e sta alla base non solo della
fisica atomica e sub-atomica ma anche, ad esempio, della chimica e della biofisica.
La Meccanica Quantistica vanta un elevatissimo grado di precisione essendo
corretta con un margine di 1/100000000000 (1: 10 11) ed è basata sul
¾principio di indeterminazione di Heisenberg
e sulla
¾dualità onda particella
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Il mondo “macroscopico”
Nella vita quotidiana non sperimentiamo direttamente il Principio di
Indeterminazione in quanto i raggi luminosi, ad esempio, non sono in grado di
perturbare la traiettoria dei corpi pesanti. Possiamo quindi misurare
contemporaneamente sia la posizione che la velocità di un oggetto macroscopico
come, ad esempio, una palla da biliardo.
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Il mondo “microscopico”
Ma nel mondo microscopio questo fatto viene a cadere in quanto nel momento in
cui, ad esempio, vogliamo misurare la posizione di un elettrone inviando su di esso un
fascio luminoso automaticamente ne perturbiamo la traiettoria rendendo indeterminata
la sua velocità!
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Il principio di indeterminazione di Heisenberg
In termini matematici si può scrivere come:
∆ E · ∆ t > (1/2) h/ (2π ) dove
¾h =1,054 · 10
costante di Planck
-27
gr cm
2/
sec è la
¾∆E rappresenta l'incertezza sulla misura
della energia di una particella
¾∆t rappresenta l'incertezza sulla misura
del tempo di una particella
Dal valore estremamente piccolo di questa
costante, h, si può facilmente comprendere che
l'effetto di tale principio è irrilevante nel mondo
"macroscopico" in cui viviamo.
La Meccanica Quantistica non è una "teoria deterministica" si basa infatti sul
Principio di Indeterminazione enunciato nel 1926 dal fisico austriaco W. Heisenberg. Si
tratta di una proprietà fondamentale ed ineliminabile del mondo atomico. Il fatto che
non possiamo conoscere contemporaneamente posizione e moto di una
particella non deve essere considerata un effetto d'incapacità sperimentale o di una
mancanza di risoluzione degli strumenti ma dipende intrinsecamente dalla natura delle
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cose.
Il gatto di Schrödinger
Se entra come particella (figura
A) il fotone viene riflesso NON
attraversa il rilevatore ed al gatto
non succede niente!
Se invece entra come onda
(figura B) il fotone attraversa il
rilevatore scatta un dispositivo
letale ed il gatto muore !
Il principio di indeterminazione
comporta che : fino a quando si
apre la scatola è impossibile
sapere lo stato del gatto. È quindi
corretto affermare che sino a che
non apriamo la scatola (figura C)
il gatto non è né vivo né morto !
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Gli “strumenti” per indagare la struttura della
materia
L’anello di accumulazione del CERN a Ginevra
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Le “dimensioni” in fisica atomica
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Il Modello Standard delle particelle elementari
I fisici hanno elaborato una teoria, chiamata Modello Standard, che vuole descrivere sia la
materia che tutte le forze dell'universo (esclusa la gravità). La sua bellezza sta nella capacità
di spiegare centinaia di particelle e interazioni complesse con poche particelle e interazioni
fondamentali.
Particelle mediatrici di forza: ogni tipo di interazione fondamentale agisce "mediante" una
particella mediatrice di forza (un esempio è il fotone).
Particelle materiali: Il Modello Standard sostiene che la maggior parte delle particelle
materiali finora conosciute è composta di particelle più fondamentali, i quark. C'è anche
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un'altra classe di particelle materiali fondamentali, i leptoni (un esempio è l'elettrone).
Le forze fondamentali della fisica
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Gli strumenti dell’astronomia-I telescopi
Il telescopio nazionale Galileo (3.5 m di diametro)
posto alle Canarie
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La luce e l’informazione astronomica
Tutto il “sapere” dell’astronomia osservativa ci proviene dalla luce emessa dai corpi
celesti (stelle e galassie) che raggiunge lo specchio dei telescopi e viene da essi
elaborata.
Le informazioni dipendo :
•Dallo studio dell’intensità luminosa (fotometria)
•Dallo studio delle componenti alle varie lunghezze d’onda della luce (spettroscopia)
A parità di intensità luminosa assoluta tanto più risulterà la intensità
luminosa apparente quanto più lontana è la sorgente
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La velocità della luce
Una ricostruzione della Via Lattea (a sinistra) ed una immagine della galassia di
Andromeda (a destra)
La luce ha una straordinaria caratteristica la sua velocità è costante ed
indipendente dall’osservatore.
Questo vuol dire che un astronomo misura la velocità della luce in 300.000 km al
secondo sia che si trovi sulla Terra sia che si trovi in un qualsiasi altro punto
nell’Universo, ad esempio sulla galassia di Andromeda.
Ma non solo la sua velocità e costante ma è anche la massima raggiungibile per un
qualsiasi fenomeno fisico ed astronomico.
Non esistono corpi sia fisici che celesti la cui velocità supera quella della luce!
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Più lontano –Più indietro nel tempo
Dal momento che
la luce impiega un
tempo grande ma
finito per giungere
a noi, più si
guarda lontano,
come
distanza
spaziale, più in
realtà si esplora
l’Universo
indietro
nel
tempo.
E quindi si ha
accesso a regioni
dello spazio che,
partendo
dall’istante t=0 del
Big Bang, sono
giovani.
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Lo spettro elettromagnetico
La spettroscopia mostra e misura la luce emessa da diversi elementi (gas o fonti di luce)
decomponendola nelle componenti a lunghezze d’onda dal blu alla luce rossa .
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Lo spettro di una galassia
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Effetto Doppler
L’effetto Doppler si ha con tutti i moti ondulatori, sia quelli di propagazione delle
onde sonore nell’aria che quelli di propagazione delle onde luminose nel vuoto
Onde sonore
Se siamo fermi ad un passaggio a livello ed un treno viene verso di noi fischiando
ascoltiamo un suono che sia fa sempre più acuto in avvicinamento mentre diventa
sempre più basso in allontanamento.
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Effetto Doppler-Onde Luminose
Nel caso della “luce” emessa da un corpo celeste
1) se questi si avvicina essa appare, all’osservatore terrestre, come “più acuta” cioè di
frequenza più elevata e quindi “blu”
2) se invece si allontana essa appare di frequenza “più bassa” più bassa e quindi
“rossa”.
Z = ∆λ / λ = Vr /c
Vr = velocità radiale sorgente luminosa
c = velocità della luce 300.000 km/sec
∆λ = differenza tra λ “osservata” e λ “a riposo”
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Red-Shift e galassie
A sinistra: le immagini
delle galassie
A destra: gli “spettri” delle
galassie con la riga H e K
del calcio che si sposta
sistematicamente verso il
rosso (lunghezze di onda
maggiori)
Sotto la riga la velocità di
recessione in km/secondo
nella ipotesi di una costante
di Hubble :
H=50 km/sec megaparsec
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La legge di Hubble
Le osservazioni spettroscopiche effettuate da E. Hubble mostrarono che le galassie lontane
presentano spostamenti sistematici nelle righe spettrali verso il rosso. Lo
spostamento verso il rosso è interpretato come “effetto Doppler” proporzionale alla distanza
secondo la relazione :
Vr = c · Z = H0 ·d
d= distanza della galassia, c= velocità della luce, Z= spostamento verso il rosso, H0
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=costante di Hubble
La scala delle distanze astronomiche
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Il Gruppo Locale-il giardino di casa della Via Lattea
La nostra Galassia (la Via Lattea) fa parte del Gruppo Locale che contiene circa
30 “oggetti” tra cui: la galassia di Andromeda (M31), la piccola e la grande
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nube di Magellano, le galassie nel Triangolo (M33)
Red-shift cosmologico ed effetto Doppler
λ 0 = lunghezza d’onda “a riposo”
λ e = lunghezza d’onda osservata
Lo spostamento verso il rosso è interpretato come “effetto Doppler” :
Z = δ λ / λ 0 = (λ e − λ0 ) / λ 0
proporzionale alla distanza della galassia
Vr = c ·Z = H0 ·d
Le Galassie si allontanano dall’osservatore con una velocità che aumenta
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all’aumentare della distanza
L’età dell’Universo
La costante di Hubble “H0” è un indicatore diretto dell’età dell’Universo. Il calcolo di H0
richiede misure della distanza delle “galassie” indipendenti dalla legge di Hubble !
Vr = c ·Z = H0 ·d
L’inverso della Costante di Hubble ha le dimensioni di un tempo a cui viene associata
“l’età dell’Universo”.
H0 (km/sec)/Mpc
Anno
Autore
Età in miliardi di
anni
530
1929
Hubble
1,845
75
1958
Sandage
13,04
50
1974
Sandage e Tamman
19,56
De
Vaucouleres
9,78
Misure HST
14,77
100
85
1996
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L’espansione dell’Universo
Alla base della Cosmologia moderna sta il dato osservativo che “le galassie si
allontanano da noi con una velocità di fuga che è tanto maggiore quanto più
sono lontane” secondo la legge di Hubble
V r = c Z = H0 d
Ma il nostro punto di vista è un punto privilegiato nell’Universo ??
PRINCIPIO COSMOLOGICO
No ! Non esiste alcun centro dell’espansione e quindi alcun centro dell’Universo
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L’espansione dell’Universo
Espansione senza un “centro”
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Il Paradosso di Olbers e l’espansione dell’universo
Il fatto che l’Universo sia in espansione è sufficiente per risolvere il famoso “Paradosso di
Olbers”
Già nel 1720 E. Halley aveva notato che “se il numero delle stelle fisse fosse infinito l’intera
superficie del cielo sarebbe luminosa”
La luminosità del cielo notturno fu anche proposta nel suo famoso paradosso da Olbers
nel caso di un Universo infinito e statico.
Il fatto che il cielo notturno, evidentemente, non sia “luminoso” trova la sua naturale
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spiegazione accettando l’espansione dell’Universo.
Il Principio Cosmologico
Il Principio Cosmologico afferma che : “l’Universo presenta lo stesso aspetto da
ovunque lo si guardi”. Valgono cioè le ipotesi di Omogeneità ed Isotropia.
Omogeneità = da qualsiasi parte si osservi la distribuzione delle galassie nell’Universo
non si notano “in media”delle differenze
Isotropia
= in qualunque direzioni si osservino le galassie non si trova alcuna
particolare asimmetria.
L’Universo, secondo queste ipotesi, si espande SENZA preferire alcun centro
34 o
direzione di espansione.
Il Principio Cosmologico
L’universo è una sfera
infinita con il centro in
ogni dove e la
circonferenza in
nessun luogo (Pascal)
L’ammasso di
galassie di Coma
Ma come è possibile ritenere l’Universo isotropo ed omogeneo quando
osserviamo intorno a noi le galassie la cui distribuzione è
indice di
disomogeneità ed anisotropia ?
Le galassie tendono infatti a raggrupparsi in strutture sempre più complesse dette
“Ammassi di Galassie” fra cui si frappongono regioni (“Vuoti”) in cui non “appare” materia
luminosa ?
Esiste però un indicatore della omogeneità ed isotropia a “grande scala” la Radiazione
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Cosmica di Fondo !
La distribuzione delle galassie
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La Radiazione di Fondo
L’antenna con cui Penzias e Wilson
osservarono per primi la radiazione
di fondo
Nel 1965 Penzias e Wilson dei “Bell Laboratories” stavano provando un rivelatore alle
microonde molto sensibile per lo studio dei disturbi alle comunicazioni radio. Essi si
accorsero che il loro strumento raccoglieva sempre una quantità di “rumore” che non
riuscivano ad eliminare.
Inoltre questo “rumore” era sempre uguale in qualunque direzione
puntassero l’antenna e qualunque giorno dell’anno facessero le misure.
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La Radiazione di Fondo-Interpretazione
Il fisico G. Gamow
Nel frattempo B. Dicke e J. Peebles alla Princeton University sostennero (seguendo un
suggerimento di G. Gamow) che l’Universo all’origine doveva essere molto “caldo”
per cui oggi dovremmo osservare il relitto di quella radiazione primeva.
Essi previdero che la temperatura attuale della radiazione doveva essere poco sopra lo zero
assoluto a 3 0 Kelvin e che la si doveva osservare alla lunghezza d’onda delle microonde.
Si trattava proprio del “rumore”osservato da Penzias e Wilson la cui origine “non terrestre”
era stata nel frattempo accertata.
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La Radiazione di Fondoi dati di COBE
Il cielo alle microonde visto
dal satellite COBE
Nel 1989 è stato lanciato il satellite COBE capace di misurare con estrema
precisione la temperatura della radiazione di fondo.
Nel 1992 le misure hanno rilevato solo una piccolissima disuniformità di
temperatura rispetto alla temperatura di 2,75 0 K di qualche centimillesimo di
grado !
Le zone più fredde sarebbero anche quelle più dense e quindi potrebbero essere i
germi delle galassie primordiali
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La Radiazione di Fondo
Il cielo alle microonde visto
dal satellite COBE
Dall’osservazione della Radiazione di fondo possiamo avere:
° una conferma della teoria del “Big Bang” caldo
° una conferma dell’espansione dell’Universo
° una verifica del Principio Cosmologico e delle ipotesi di omogeneità ed
isotropia
° una misura della temperatura odierna dell’Universo pari a 2,735 0 K
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Il Modello Standard Cosmologico
•
•
•
•
Per
costruire
modello
completo
ed
un
cosmologico
autoconsistente è necessario far
riferimento alla teoria della Relatività
Generale di Einstein. Il modello che
ne
consegue
ha
le
seguenti
caratteristiche:
È nato dal “Big Bang” circa 15
miliardi di anni fa
Dopo circa 300.000 anni la radiazione
si disaccoppia dalla materia e si
formano le galassie
Ha tre possibilità di evoluzione
futura definite dalle soluzioni di
Friedmann
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Le soluzioni di Friedmann
•
•
Risolvendo matematicamente le equazioni della relatività
generale si ottengono diverse soluzioni. Quelle più
interessanti sono quelle note come “soluzioni di Friedmann”
Esse sono in accordo con: il paradosso di Olbers, il principio
cosmologico, la presenza della radiazione di fondo e quindi
descrivono in modo semplice il “Big Bang”
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Le soluzioni di Friedmann: geometrie ed evoluzione
temporale
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Il Big Bang
L’abate G. Lemaitre
(1894-1966)
•
•
•
Già nel 1926 era stato previsto dal cosmologo Lemaitre, su basi
puramente teoriche, un Universo con una singolarità iniziale.
Per giustificare questa ipotesi Lemaitre suppose che l’Universo avesse
avuto origine da un’immane esplosione a cui venne assegnato, da J.A.
Wheeler negli anni `60, il nome di Big Bang
Il Big Bang prevede la immediata verifica 1) della legge di Hubble 2)
del Principio Cosmologico 3) della formazione degli elementi leggeri .
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L’origine dell’Universo
•
•
•
L’Universo ha avuto origine da uno stato ad elevata densità e temperatura pari a
10 32 0 K e corrispondente ad una energia di 10 19 Gev (gigaelettron volt).
Nella elaborazione della teoria del Big Bang sono fondamentali sia la fisica delle
particelle che la teoria gravitazionale.
La fisica moderna è in grado di fornire un base teorica ai modelli di Big Bang sino
a tempi ~ 10 - 43 secondi (il “tempo di Planck”).
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Il Modello Inflazionario : perché?
Il fisico americano
A. Guth
Quali sono le motivazioni per cui sì è introdotto il Modello Inflazionario nel Modello
Standard di Universo ?
• Il problema dell’orizzonte
• Il problema della “piattezza” dell’Universo
• L’asimmetria tra materia ed antimateria
• La formazione delle protogalassie
Il Modello Inflazionario, proposto da A. Guth, cerca di dare una risposta a questi quesiti.
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La gravità quantistica prima dell’origine dello
spazio e del tempo
La meccanica quantistica, nel caso della gravità non si può più trascurare per
fenomeni fisici che avvengono alle seguenti scale:
•
•
•
Lplanck =(h G/c3)1/2=1,6·10-33 cm (distanza)
Tplanck =(h G/c5)1/2=5,4 ·10-44 sec (tempo)
Mplanck =(h c/G)1/2=2,1·10-5gr (massa)
Le costanti fisiche sono :
¾ h=h/2π=1,054 ·10-27 gr cm2 /sec
¾ c=2,997 ·1010 cm /sec
¾ G=6,673 ·10-8 cm3 /(gr sec2)
Queste condizioni si sono verificate nella singolarità del Big Bang. Per cui
per poter descrivere in modo corretto e completo la fisica del Big Bang è
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necessari utilizzare la gravità quantistica !
Piattezza ed orizzonte dell’Universo
Prima dell’inflazione le parti dell’Universo erano così vicine da poter
comunicare tra di loro. Solo in seguito, causa la espansione inflazionaria, si
sono allontanante senza più essere comunicanti !
In questo modo si risolve il problema dell’orizzonte.
Inoltre l’inflazione le “diluisce” in uno spazio-tempo enormemente grande
per cui lo spazio-tempo locale viene ad essere piatto ed il valore del
parametro di densità (in accordo con le teorie sulla materia oscura nonbarionica) per cui risulta
Ω= 1
E viene risolto anche il problema della “piattezza”
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Il disaccoppiamento radiazione materia
Il cielo alle
microonde visto dal
satellite COBE
Per tempi ~300000 anni
La materia di disaccoppia dalla radiazione lasciando un “fondo” di radiazione che
ancor oggi si osserva ad una temperatura di 2,75 0 gradi Kelvin. È la radiazione di
fondo rivelata da Penzias e Wilson e dal satellite COBE.
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L’Universo accessibile alle osservazioni
Il cielo alle
microonde visto dal
satellite COBE
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La formazione delle protogalassie
Per tempi 400000 anni < t < 1 miliardo di anni
La materia può incominciare ad agglomerarsi ed a formare le protogalassie.
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La formazione delle galassie e delle stelle
Per tempi 1 miliardo di anni < t sino ad oggi
Si formano i primi ammassi globulari ed i nuclei delle galassie. Le galassie a spirale si
“appiattiscono” ed assumono la forma attuale. Le stelle di “prima generazione”
completano il loro ciclo di bruciamento e restituiscono al mezzo interstellare il loro
materiale ricco di elementi “pesanti”.
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Il Principio Antropico
Già nel 1970 l’astrofisico McCrea osservò che abbiamo, evidentemente, un solo
Universo da studiare: quello in cui viviamo!
Non possiamo “uscire” da esso ed osservare altri Universi per cercare di
comprendere se si sono evoluti come il nostro e quindi non possiamo nemmeno
escludere che le proprietà mostrate nel nostro Universo siano dovute al caso.
Il Principio Antropico porta ad affermare che:
¾ si possono formare solo quei tipi di Universo in cui è presente la vita
così come noi la conosciamo
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La costante cosmologica
Nel 1917 Einstein introdusse nelle equazioni di campo della Relatività
Generale la “costante cosmologica” che, simulando un campo di forze repulsivo
rispetto alla gravità, permetteva la introduzione dei modelli cosmologici statici. Dopo la
scoperta di Hubble dell’espansione dell’Universo la costante cosmologica Λ venne
abbandonata da Einstein stesso.
“Se c’è un mondo quasi-statico allora togliamo di mezzo il termine
cosmologico” così scriveva Einstein a Weil nel 1923.
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La costante cosmologica e le straordinarie proprietà
del “vuoto”
Nei modelli della Relatività Generale la sorgente delle forze gravitazionali è
l’energia; la materia è semplicemente una forma di energia.
La costante cosmologica Λ è un termine distinto ! Cosa può rappresentare ??
La forza repulsiva generata dalla costante cosmologica, opposta a quella attrattiva
della gravità, si esercita anche in assenza di materia e radiazione. Pertanto la sua
sorgente deve essere un’energia che risiede nello spazio vuoto !
Negli anni ’30 non si riusciva a dare un significato fisico a questa forma di energia per
cui ben volentieri la si abbandonò.
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L’energia del “vuoto” e le particelle elementari
L’effetto Casimir
riguarda la
creazione di
coppie virtuali di
particelle nel
vuoto tra due
placche di
metallo
elettricamente
scariche
P. Dirac e, più tardi R. Feymann, J, Swinger e S. Tomonaga dimostrarono che lo
spazio vuoto è più complesso di quanto non si fosse immaginato.
Le particelle elementari possono apparire spontaneamente dal nulla e scomparire di
nuovo se esistono per un tempo cosi` breve che non le si può misurare.
Le particelle invisibili sono ammesse dal Principio di Indeterminazione di Heisenberg.
Le teorie delle particelle virtuali si accorda con gli esperimenti di laboratorio fino alla
nona cifra decimale.
Quindi che piaccia o no lo spazio vuoto non è veramente vuoto!
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L’energia del “vuoto” e l’evoluzione dell’Universo
Se le particelle virtuali possono cambiare le proprietà degli atomi possono anche
influire sull’espansione dell’Universo?
Nel 1967 l’astrofisico russo J. Zel’dovich dimostrò che l’energia delle particelle virtuali
dovrebbe agire esattamente come l’energia associata ad una costante cosmologica.
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Il valore di Λ
L’energia associata alla costante cosmologica Λ calcolata su basi puramente teoriche
dovrebbe essere enorme e l’espansione dell’Universo così straordinariamente efficiente
da risultare a noi visibile nella nostra vita quotidiana.
Infatti quando si sommano tutti gli effetti l’energia totale risulta infinita.
Anche trascurando gli effetti quantistici minori di una certa lunghezza d’onda l’energia
del vuoto calcolata è circa 120 ordini di grandezza maggiore dell’energia contenuta in
tutta la materia dell’Universo.
Dal momento che così non è cosa fa assumere a Λ un valore piccolo ??
Ancora non si è capito perché il valore di Λ è confinato ad un valore cosi’ piccolo !
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La costante cosmologica e supernovae di Tipo Ia
Nel 1997 le osservazioni effettuate da astronomi dell'ESO presso i telescopi di La Silla
hanno mostrato che l'Universo potrebbe avere un'espansione accelerata. Questo fatto
può essere interpretato proprio alla luce dell'esistenza di un valore diverso da zero
della Costante Cosmologica Λ
Le supernovae di tipo I sono degli ottimi indicatori di distanza in quanto raggiungono al
loro massimo di luminosità tutte la stessa magnitudine assoluta.
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L’osservazione delle supernovae di Tipo Ia
Le misure relative alle supernovae di tipo I effettuate con HST indicano una leggera ma
significativa deviazione dal modello di universo “piatto” (cioè un’accelerazione) forse a
causa della Costante Cosmologica. Per conservare, nonostante tutto, la geometria “piatta”
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è necessario supporre più materia oscura di quanto appaia!
Le Supernovae di tipo I 1997ap
Cerro Tololo
Telescopio di 4 metri
febbrario 1997
Cerro Tololo
Telescopio di 4 metri
marzo 1997
HST
Aprile-maggio 1997
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L’evoluzione temporale sulla Terra
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Per meglio renderci conto del peso relativo delle varie tappe della vita della Terra
può essere utile il seguente schema in cui il Sistema Solare è assunto avere un
anno di vita.
La Terra si forma il primo gennaio.
Le prime forme di vita acquatiche vengono alla luce alla fine di maggio.
Piante ed animali compaiono alla fine di novembre.
Il 25 dicembre si estinguono i dinosauri (evento accaduto in realtà 65 milioni di
anni fa).
L’homo sapiens appare alle ore 23h del 31 dicembre.
L’impero romano dure dalle ore 23h 59’ 45’’ alle ore 23h 59’ 50’’
La scoperta dell’America avviene alle 23h 59’ 57’’
62
I “tempi” al confine del “tempo”
¾Big Bang, t=0 !
¾Oggi ~ 15 miliardi di anni = 15 · 10 9 anni
¾Morte del Sole ~ 15 · 10 10 anni
¾Temperatura di Gibbons-Hawking (limite alla temperatura minima dovuta alla
Costante Cosmologica) ~ 7 · 10 11 anni
¾Le galassie dell’ammasso locale diventano invisibili
~ 5 · 10 12 anni
¾Cessa la formazione di stelle ~ 10 14 anni
¾I pianeti di allontanano dalle stelle ~ 10 15 anni
¾I Buchi Neri consumano le galassie ~ 10 30 anni
¾Si esaurisce il “combustibile” galattico ~ 10 37 anni
¾L’effetto tunnel quantistico “liquefa” la materia
¾Elettroni e positroni si legano in nuove forme di materia
~ 10 65 anni
~ 10 85 anni
¾Espansione dei Buchi Neri galattici ~ 10 98 anni
63
64
Dall’infinitamente grande all’infinitamente piccolo
La Sintesi Cosmologica
La presentazione è terminata
Roberto Bedogni
http://naomi.bo.astro.it/bedogni
Osservatorio Astronomico di Bologna
INAF
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