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I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Lo spazio è vasto. Veramente vasto. Non riuscireste mai a credere quanto enormemente incredibilmente spaventosamente.

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Presentazione sul tema: "I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Lo spazio è vasto. Veramente vasto. Non riuscireste mai a credere quanto enormemente incredibilmente spaventosamente."— Transcript della presentazione:

1 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Lo spazio è vasto. Veramente vasto. Non riuscireste mai a credere quanto enormemente incredibilmente spaventosamente vasto esso sia. Voglio dire, magari voi pensate che sia un bel tratto di strada andare fino alla vostra farmacia, ma questo tratto di strada è una bazzecola in confronto allo spazio… Douglas Adams, Guida galattica per autostoppisti

2 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte In effetti, luniverso che noi osserviamo oggi coi telescopi è davvero vasto; una sfera di 40 miliardi di anni luce di raggio, contenente migliaia di miliardi di galassie

3 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Tuttavia, ciò che osserviamo potrebbe non essere abbastanza per poterlo comprendere; al di là di questo orizzonte cosmico potrebbe trovarsi la risposta a molte domande tuttora senza risposta

4 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Consolidate teorie e recenti osservazioni mostrano che lorizzonte cosmico non solo è invalicabile, ma si sta anche rimpicciolendo: questo potrebbe porre severi limiti alla nostra conoscenza dellUniverso

5 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Gran parte degli argomenti di questa lezione sono stati presentati dal ricercatore italiano Amedeo Balbi in un articolo scritto per listituto FQXi, che si propone di stimolare la ricerca sui fondamenti della fisica

6 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Qual è lo scopo ultimo della scienza?

7 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Semplice: lo scopo ultimo della scienza è quello di CONOSCERE TUTTO

8 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Molti hanno cercato e cercano, per vari motivi, di porre dei limiti alla conoscenza scientifica

9 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Tutto ciò NON E argomento della presente lezione

10 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Da qui in avanti supporremo che la scienza possa portare avanti il suo programma senza alcuna limitazione di carattere religioso, etico o logico

11 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Gli unici limiti che ci interessano sono quelli, se ve ne sono, che la scienza trova al suo interno, ovvero quelli determinati dalle stesse leggi di natura e dalle osservazioni sperimentali

12 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La scienza ottocentesca credeva di aver individuato delle ben precise barriere di inconoscibilità, espresse da fisico Emil du Bois- Reymond con i suoi celebri ignorabimus

13 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte du Bois-Reymond, in un discorso del 1880 allaccademia delle scienze di Berlino, indicò sette questioni che la scienza non avrebbe mai potuto chiarire

14 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Tra queste la natura ultima della materia e delle forze lorigine del moto lorigine della vita

15 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Lapparente impossibilità di osservare gli atomi era dovuta al fatto che la lunghezza donda della luce è enormemente maggiore della dimensione di un atomo

16 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Questo impedisce a qualsiasi microscopio ottico di fornire unimmagine degli atomi

17 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Pochi anni dopo Wilhelm Roentgen scoprì i raggi X, onde elettromagnetiche di lunghezza molto più piccola della luce

18 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Usando i raggi X Max von Laue ottenne chiare immagini del reticolo atomico di un cristallo

19 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Un altro problema apparentemente insolubile della fisica ottocentesca è quello delle condizioni iniziali

20 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Allora lUniverso veniva concepito come un gigantesca isola di materia posta in uno spazio vuoto

21 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La teoria della gravitazione di Newton descrive levoluzione di questo universo-isola, ma non dice nulla su come è perché si è originato

22 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Ai fisici dell800 sembrava del tutto impossibile spiegare linizio dellUniverso, e la stessa questione sembrava antiscientifica e priva di significato

23 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La teoria della relatività generale (Einstein, 1915) cambia totalmente le cose

24 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Secondo questa teoria un Universo omogeneo, come sembra essere il nostro, può solo espandersi o contrarsi GAMOW

25 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Quindi o lUniverso comincia con una singolarità (cioè un punto di densità infinita) e si espande…

26 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte …o comincia a densità nulla e finisce in una singolarità. Le osservazioni astronomiche dimostrarono che la prima possibilità è quella giusta

27 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La meccanica quantistica, con la teoria dellinflazione, rende più chiaro e coerente il quadro tracciato dalla relatività ALAN GUTH

28 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Rende inutile ipotizzare che luniverso nasca omogeneo, in quanto linflazione lo rende comunque tale Elimina la singolarità, che non ha significato fisico

29 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Il nodello inflazionario prevede che luniverso abbia avuto un periodo iniziale di rapidissima espansione, a cui seguì lespansione standard osservata ancora oggi

30 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Anche se oggi ancora non conosciamo tutto dellorigine dellUniverso, non pensiamo più che questa sia inconoscibile

31 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Oggi le barriere indicate da Emil du Bois-Reymond sono cadute e molti scienziati pensano di essere vicini a una TEORIA DEL TUTTO ovvero di una teoria che spiega tutto

32 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Nonostante ciò, sono le stesse teorie fondamentale che hanno permesso tanti successi ad indicarci lesistenza di nuovi e molto più severi limiti alla conoscenza umana

33 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Uno di questi limiti lo si trova nello studio dellinfinitamente grande ed è il cosiddetto problema dellorizzonte

34 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Possiamo, almeno in linea di principio, osservare tutto ciò che esiste, accade o è accaduto nellUniverso?

35 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Ovviamente non possiamo farlo in pratica, ma da un punto di vista solo teorico?

36 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La risposta della scienza moderna è NO

37 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte LUniverso osservabile è racchiuso da un ORIZZONTE oltre al quale il nostro sguardo non può e non potrà mai spingersi

38 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Tre sono gli elementi che determinano questa risposta negativa La velocità della luce Lespansione dellUniverso Lenergia oscura che accelera lespansione

39 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Esperimenti compiuti nel corso di oltre un secolo con tecniche sempre più raffinate, oltre ad un solidissimo e coerente edificio teorico, dimostrano che nel vuoto la luce viaggia ad una velocità fissa C= Km/s

40 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Einstein assunse come postulato della teoria della relatività che questa velocità sia un limite invalicabile per qualsiasi oggetto nellUniverso

41 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Le vaste conferme sperimentali della relatività hanno convinto i fisici che linsuperabilità della velocità della luce sia una legge fondamentale della natura, anche se recenti esperimenti sembrano sollevare dei dubbi

42 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Perché la velocità della luce pone un limite alla conoscenza?

43 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Perché la conoscenza è informazione e linformazione ha bisogno di un supporto materiale per viaggiare

44 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Quindi, se un evento accade ad una distanza S da noi, possiamo osservarlo solo dopo un tempo T pari a quello impiegato dalla luce per giungere fino a noi

45 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Si potrebbe pensare che per osservare anche gli eventi nelle galassie più remote ci voglia solo un po di pazienza… …ma non è così

46 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Lespansione dellUniverso fu scoperta prima teoricamente da Friedman e Lemaitre nel 1927 e poi dimostrata sperimentalmente da Hubble nel 1929

47 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte FRIEDMAN HUBBLE LEMAITRE EINSTEIN

48 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Secondo la legge di Hubble le galassie sembrano allontanarsi da noi ad una velocità V che cresce al crescere della distanza S secondo la formula: V =H·S

49 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La costante di Hubble H ha un valore che oggi si stima in circa 23Km/s per milione di anno luce

50 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La legge di Hubble si spiega col fatto che lo spazio tra le galassie si sta espandendo a un tasso costante

51 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte UN AMMASSO DI GALASSIE RIPRESO DAL TELESCOPIO SPAZIALE HUBBLE

52 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La fuga delle galassie è solo apparente; in realtà le galassie non si stanno muovendo, è lo spazio tra di esse che si espande e le allontana, come un nastro trasportatore

53 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Velocità di allontanamento superiori a quelle della luce, quindi non contraddicono la relatività, proprio perché non sono vere velocità

54 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Il fatto che lo spazio si stia espandendo implica che un tempo, fissato oggi a 13,8 miliardi di anni fa, tutto lo spazio e con esso la materia erano concentrati in un punto di densità quasi infinita

55 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Prima di questo tempo il nostro Universo semplicemente non esisteva. Tutto ciò che cera prima è stato cancellato dal Big Bang

56 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Supponiamo che una certa galassia X sia posta a una distanza S da noi. Se luniverso fosse statico, aspettando un tempo pari a S/C potremmo osservare la galassia X come è ora X S Noi

57 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Infatti guardare lontano nello spazio è come guardare indietro nel tempo; le galassie che osserviamo ora potrebbero non esistere più o essere molto cambiate

58 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Ma mentre le luce viaggia da X fino a noi lo spazio S si espande X X X

59 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte E come se la luce dovesse risalire una corrente sfavorevole…. X X X

60 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Se la velocità di allontanamento della galassia X è superiore a quella della luce, il segnale non arriverà mai X X X

61 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La distanza a cui la velocità di allontanamento di una galassia uguaglia quella della luce si ottiene semplicemente sostituendo C al posto di V nella legge di Hubble: C=H·S Otteniamo il valore limite:

62 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Questo valore rappresenta la massima distanza a cui può trovarsi un oggetto perché noi (…o per meglio dire i nostri pronipoti…) lo possiamo osservare nel suo stato attuale. Potremmo chiamare questa distanza orizzonte del presente

63 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Utilizzando i valori noti: C = Km/s H = 23 Km/s·MLy otteniamo: S limite = 13 miliardi di anni luce

64 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Noi non potremo mai osservare lo stato attuale di una galassia che, in questo momento, si trova a più di 13 miliardi di anni luce da noi

65 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Ma nel passato quella stessa galassia era più vicina a noi. Possiamo quindi sperare di osservarne almeno il suo passato? Solo fino a un certo punto

66 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Infatti il passato non è illimitato: fino a anni dopo il Big Bang, lUniverso era completamente opaco per il fatto che tutta la materia era ionizzata. Possiamo considerare il post Big Bang come la data di inizio del passato

67 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Se a quella data un oggetto si trovava già a più di 13 miliardi di anni luce da noi non potremo mai osservarlo, né nel passato (perché il passato non esisteva) né tantomeno nel futuro (perché fugge da noi più velocemente della propria stessa luce)

68 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Un oggetto che si trovava allora a 13 miliardi di anni luce da noi dove si trova ora? La risposta è: a circa il triplo

69 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Ciò significa che LA TOTALITA DELLE COSE DA NOI OSSERVABILI si trova racchiusa in una sfera di circa 40 miliardi di anni luce di raggio

70 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Tutto ciò che si trova oltre questa sfera è per noi in linea di principio inosservabile Questo è lorizzonte dellUniverso osservabile

71 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Bisogna però tener conto del fatto che LA COSTANTE DI HUBBLE NON E COSTANTE NEL TEMPO

72 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte A causa dellattrazione gravitazionale lespansione dellUniverso si è via via indebolita, ovvero il valore di H è diminuito nel tempo

73 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Ricordando che nel calcolo del raggio dellorizzonte H è al denominatore Vediamo che di fatto lorizzonte dovrebbe allargarsi sempre più

74 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Questo dovrebbe portare allinterno di esso sempre più galassie, le quali dunque prima o poi diverrebbero osservabili. Insomma, lorizzonte non dovrebbe essere una vera barriera

75 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte MA NON E COSI…. Infatti, a causa di una per ora misteriosa energia oscura il valore di H da qualche miliardo di anni sta aumentando

76 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Così lorizzonte, invece di allargarsi, si restringe sempre più, e sempre più galassie stanno sparendo al di là di esso

77 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Tra 100 miliardi di anni tutte le galassie, escluse quelle del gruppo locale, saranno sparite oltre lorizzonte e non saranno in linea di principio osservabili

78 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Per gli astronomi del futuro una porzione sempre più vasta di Universo diventerà del tutto inosservabile

79 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte E così importante poter osservare tutto lUniverso? In fondo conoscere significa trovare le leggi, non osservare tutto il possibile

80 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte La conoscenza scientifica evolve con la formulazione di nuove teorie che vengono controllate e convalidate attraverso losservazione

81 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Limpossibilità di osservare lUniverso nel suo insieme potrebbe rendere molto difficile la convalida di una teoria del tutto. Infatti, alcune proprietà dellUniverso possono essere determinate solo osservandone una porzione significativa

82 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Se, ad esempio, lenergia oscura avesse già ristretto lorizzonte fino a comprendere solo la via lattea, luniverso-isola di Newton sarebbe lunico modello possibile; semplicemente non potremmo sapere cosa cè oltre e cosa cè stato prima

83 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Queste sono solo alcune delle questioni che potrebbero risultare impossibili da determinare:

84 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte 1. LUniverso è davvero omogeneo su grande scala come postulano tutti i modelli cosmologici? LUniverso osservabile lo è, ma che dire del resto?

85 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte 2. LUniverso ha veramente curvatura nulla, come sembra dalle attuali osservazioni? Potrebbe avere una curvatura molto piccola ma non nulla, non rilevabile sulla scala da noi osservabile

86 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte 3. Lintensità delle forze fondamentali è la stessa ovunque? Fin dove si spinge il nostro sguardo sì, ma oltre?

87 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Noi osserviamo una porzione di Universo limitata nel tempo e nello spazio. Cosa cè oltre? Non lo sapemo mai, e se oltre cè qualcosa di fondamentale la nostra descrizione del mondo sarà per sempre incompleta

88 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Per concludere con un po di ottimismo…

89 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Non è detto che una teoria del tutto abbia bisogno di una verifica diretta; può darsi che riusciremo a rispondere a tutti i quesiti sullUniverso con verifiche indirette Dopotutto, Eratostene non ebbe bisogno di fare il giro del mondo per misurarne il diametro

90 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte In secondo luogo, lUniverso potrebbe essere abbastanza piccolo da stare tutto dentro lorizzonte, per cui non ci sarebbe più nessun problema di osservabilità

91 I confini dellUniverso Il problema dellorizzonte Luomo ha sempre considerato i limiti come uno stimolo a superarli; il futuro ci dirà se, in qualche modo, saremo in grado di andare oltre lorizzonte


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