I confini dell’Universo

Presentazione sul tema: "I confini dell’Universo"— Transcript della presentazione:

1 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte “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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte In effetti, l’universo 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Consolidate teorie e recenti osservazioni mostrano che l’orizzonte cosmico non solo è invalicabile, ma si sta anche rimpicciolendo: questo potrebbe porre severi limiti alla nostra conoscenza dell’Universo

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

6 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Qual è lo scopo ultimo della scienza?

7 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Semplice: lo scopo ultimo della scienza è quello di CONOSCERE TUTTO

8 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Molti hanno cercato e cercano, per vari motivi, di porre dei limiti alla conoscenza scientifica

9 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Tutto ciò NON E’ argomento della presente lezione

10 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte du Bois-Reymond, in un discorso del 1880 all’accademia delle scienze di Berlino, indicò sette questioni che la scienza non avrebbe mai potuto chiarire

14 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Tra queste la natura ultima della materia e delle forze l’origine del moto l’origine della vita

15 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte L’apparente impossibilità di osservare gli atomi era dovuta al fatto che la lunghezza d’onda della luce è enormemente maggiore della dimensione di un atomo

16 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Questo impedisce a qualsiasi microscopio ottico di fornire un’immagine degli atomi

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

18 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Usando i raggi X Max von Laue ottenne chiare immagini del reticolo atomico di un cristallo

19 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Un altro problema apparentemente insolubile della fisica ottocentesca è quello delle condizioni iniziali

20 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Allora l’Universo veniva concepito come un gigantesca isola di materia posta in uno spazio vuoto

21 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte La teoria della gravitazione di Newton descrive l’evoluzione di questo universo-isola, ma non dice nulla su come è perché si è originato

22 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Ai fisici dell’800 sembrava del tutto impossibile spiegare l’inizio dell’Universo, e la stessa questione sembrava antiscientifica e priva di significato

23 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte La teoria della relatività generale (Einstein, 1915) cambia totalmente le cose

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

25 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Quindi o l’Universo comincia con una singolarità (cioè un punto di densità infinita) e si espande…

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

27 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte La meccanica quantistica, con la teoria dell’inflazione, rende più chiaro e coerente il quadro tracciato dalla relatività ALAN GUTH

28 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Rende inutile ipotizzare che l’universo nasca omogeneo, in quanto l’inflazione lo rende comunque tale Elimina la singolarità, che non ha significato fisico

29 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Il nodello inflazionario prevede che l’universo abbia avuto un periodo iniziale di rapidissima espansione, a cui seguì l’espansione standard osservata ancora oggi

30 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Anche se oggi ancora non conosciamo tutto dell’origine dell’Universo, non pensiamo più che questa sia inconoscibile

31 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Nonostante ciò, sono le stesse teorie fondamentale che hanno permesso tanti successi ad indicarci l’esistenza di nuovi e molto più severi limiti alla conoscenza umana

33 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Uno di questi limiti lo si trova nello studio dell’infinitamente grande ed è il cosiddetto “problema dell’orizzonte”

34 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Possiamo, almeno in linea di principio, osservare tutto ciò che esiste, accade o è accaduto nell’Universo?

35 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Ovviamente non possiamo farlo in pratica, ma da un punto di vista solo teorico?

36 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte La risposta della scienza moderna è NO

37 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte L’Universo osservabile è racchiuso da un ORIZZONTE oltre al quale il nostro sguardo non può e non potrà mai spingersi

38 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Tre sono gli elementi che determinano questa risposta negativa La velocità della luce L’espansione dell’Universo L’energia oscura che accelera l’espansione

39 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Einstein assunse come postulato della teoria della relatività che questa velocità sia un limite invalicabile per qualsiasi oggetto nell’Universo

41 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Le vaste conferme sperimentali della relatività hanno convinto i fisici che l’insuperabilità della velocità della luce sia una legge fondamentale della natura, anche se recenti esperimenti sembrano sollevare dei dubbi

42 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Perché la velocità della luce pone un limite alla conoscenza?

43 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Perché la conoscenza è informazione e l’informazione ha bisogno di un supporto materiale per viaggiare

44 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte L’espansione dell’Universo fu scoperta prima teoricamente da Friedman e Lemaitre nel 1927 e poi dimostrata sperimentalmente da Hubble nel 1929

47 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte FRIEDMAN LEMAITRE HUBBLE EINSTEIN

48 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte La costante di Hubble H ha un valore che oggi si stima in circa 23Km/s per milione di anno luce

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

51 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte UN AMMASSO DI GALASSIE RIPRESO DAL TELESCOPIO SPAZIALE HUBBLE

52 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Velocità di allontanamento superiori a quelle della luce, quindi non contraddicono la relatività, proprio perché non sono vere velocità

54 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Prima di questo tempo il nostro Universo semplicemente non esisteva. Tutto ciò che c’era prima è stato cancellato dal Big Bang

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

57 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Ma mentre le luce viaggia da X fino a noi lo spazio S si espande X X X

59 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte E’ come se la luce dovesse risalire una corrente sfavorevole…. X X X

60 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Utilizzando i valori noti: C = Km/s H = 23 Km/s·MLy otteniamo: Slimite = 13 miliardi di anni luce

64 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Infatti il passato non è illimitato: fino a anni dopo il Big Bang, l’Universo 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Tutto ciò che si trova oltre questa sfera è per noi in linea di principio inosservabile Questo è l’orizzonte dell’Universo osservabile

71 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Bisogna però tener conto del fatto che LA COSTANTE DI HUBBLE NON E’ COSTANTE NEL TEMPO

72 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte A causa dell’attrazione gravitazionale l’espansione dell’Universo si è via via indebolita, ovvero il valore di H è diminuito nel tempo

73 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Ricordando che nel calcolo del raggio dell’orizzonte H è al denominatore Vediamo che di fatto l’orizzonte dovrebbe allargarsi sempre più

74 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Questo dovrebbe portare all’interno di esso sempre più galassie, le quali dunque prima o poi diverrebbero osservabili. Insomma, l’orizzonte non dovrebbe essere una vera barriera

75 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Così l’orizzonte, invece di allargarsi, si restringe sempre più, e sempre più galassie stanno sparendo al di là di esso

77 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Tra 100 miliardi di anni tutte le galassie, escluse quelle del gruppo locale, saranno sparite oltre l’orizzonte e non saranno in linea di principio osservabili

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

79 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte E’ così importante poter osservare tutto l’Universo? In fondo conoscere significa trovare le leggi, non osservare tutto il possibile

80 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte La conoscenza scientifica evolve con la formulazione di nuove teorie che vengono controllate e convalidate attraverso l’osservazione

81 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte L’impossibilità di osservare l’Universo nel suo insieme potrebbe rendere molto difficile la convalida di una teoria del tutto. Infatti, alcune proprietà dell’Universo possono essere determinate solo osservandone una porzione significativa

82 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Se, ad esempio, l’energia oscura avesse già ristretto l’orizzonte fino a comprendere solo la via lattea, l’universo-isola di Newton sarebbe l’unico modello possibile; semplicemente non potremmo sapere cosa c’è oltre e cosa c’è stato prima

83 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Queste sono solo alcune delle questioni che potrebbero risultare impossibili da determinare:

84 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte L’Universo è davvero omogeneo su grande scala come postulano tutti i modelli cosmologici? L’Universo osservabile lo è, ma che dire del resto?

85 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 2. L’Universo 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 dell’Universo
Il problema dell’orizzonte 3. L’intensità delle forze fondamentali è la stessa ovunque? Fin dove si spinge il nostro sguardo sì, ma oltre?

87 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Noi osserviamo una porzione di Universo limitata nel tempo e nello spazio. Cosa c’è oltre? Non lo sapemo mai, e se “oltre” c’è qualcosa di fondamentale la nostra descrizione del mondo sarà per sempre incompleta

88 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte Per concludere con un po’ di ottimismo…

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

90 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte In secondo luogo, l’Universo potrebbe essere abbastanza piccolo da stare tutto dentro l’orizzonte, per cui non ci sarebbe più nessun problema di osservabilità

91 I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte L’uomo ha sempre considerato i limiti come uno stimolo a superarli; il futuro ci dirà se, in qualche modo, saremo in grado di andare oltre l’orizzonte