Stefano Cannavacciuolo. Concetti fondamentali Isotropia: l’universo appare della stessa densità da ovunque lo si guardi. Universo stazionario: accettato.

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1 Stefano Cannavacciuolo

2 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)

3 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

4 La costante di Hubble H 0 70,8±1,6 km/(s·Mpc) 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 = H 0 dove H 0 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/ H 0 )…

5 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…

6 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…

7 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??

8 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.

9 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.

10 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).

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12 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.

13 Grazie per l’attenzione!