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livello medio.
ARGOMENTO: ASTRONOMIA E ASTROFISICA
PERIODO: XX – XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: teorie sull’universo, Big Bang
Da diversi decenni i fisici tentano di dare una risposta alla domanda principale: perché esiste l’Universo. Nonostante i progressi del pensiero scientifico non si è ancora giunti ad una risposta condivisa e continuano a valere le più accreditate ipotesi. L’argomento è certamente complesso ma cercherò di sintetizzare le teorie più accreditate.
Rappresentazione artistica che illustra l’espansione di una porzione di un universo bidimensionale. Secondo il modello del Big Bang l’universo si espanse da uno stato iniziale estremamente denso e caldo e continua a espandersi tutt’oggi Universe expansion-it – File:Universe expansion2.png – Wikimedia Commons
Teoria del Big Bang
E’ sicuramente la teoria più nota e condivisa sulla creazione dell’universo che ipotizza che abbia avuto origine da uno stato estremamente caldo e denso circa 13,8 miliardi di anni fa che portò al Big Bang 1 . Ciò che va compreso è che, in realtà, il Big Bang non indica una esplosione “nello” spazio ma “dello spazio” stesso poiché da questo enigmatico evento iniziale si sarebbero originati, oltre lo spazio, anche il tempo, la materia e l’energia. In parole semplici, inizialmente tutto lo spazio, la materia e l’energia erano concentrati in un singolo punto (singolarità), e da lì si espansero rapidamente, dando origine all’universo che conosciamo oggi.
Il Big Bang ha lasciato, come testimonianza della sua esistenza, una radiazione fossile che permea tutto l’universo, la più antica immagine dell’universo che noi possiamo osservare direttamente e che rappresenta il residuo, ormai raffreddato, dell’elevata energia liberata dal Big Bang. Questa radiazione risale a circa 380 mila anni dopo il Big Bang, quando la luce si separò dalla materia elementare e cominciò a propagarsi nello spazio. Prima d’allora esisteva una “nebbia” impenetrabile composta da particelle elementari di ogni tipo, che impediva alla luce di avere un’esistenza propria, e a noi di vedere direttamente l’atto di nascita dell’universo. E’ importante comprendere che il Big Bang è attualmente la teoria predominante sostenuta dalla maggior parte degli scienziati, che viene supportata da una vasta gamma di evidenze osservative, come la radiazione cosmica di fondo, la distribuzione delle galassie e le misure della composizione chimica dell’universo.
Tuttavia, la ricerca in fisica cosmologica è ancora in corso, e nuove teorie e scoperte possono emergere in futuro.
Una rappresentazione grafica dell’espansione dell’universo, in cui due dimensioni spaziali non sono rappresentate. Le sezioni circolari della figura rappresentano le configurazioni spaziali in ogni istante del tempo cosmologico. La variazione di curvatura rappresenta l’accelerazione dell’espansione, iniziata a metà dell’espansione e tuttora in corso. L’epoca inflazionaria è contraddistinta dalla rapidissima espansione della dimensione spaziale sulla sinistra. La rappresentazione della radiazione cosmica di fondo come una superficie, e non come un cerchio, è un aspetto grafico privo di significato fisico. Analogamente in questo diagramma le stelle dovrebbero essere rappresentate come linee e non come punti.Linea temporale della radiazione di fondo.png – Wikimedia Commons
Teoria dell’inflazione cosmica
Questa teoria suggerisce che poco dopo il Big Bang, l’universo subì un periodo di espansione estremamente rapida, noto come inflazione cosmica, che durò soltanto una piccolissima frazione di secondo. L’espansione agì come un enorme microscopio che ingrandì ciò che era successo durante quella frazione di secondo.
Espansione accelerata dell’universo, Big Bang-inflazione (linea temporale dell’universo)Accelerated Expansion of the Universe, Big Bang-Inflation.jpg – Wikimedia Commons
Utilizzando la fisica classica, a noi più comprensibile, l’evoluzione dell’Universo inflazionario è omogenea ed ogni punto spaziale evolve esattamente nello stesso modo. La fisica quantistica introdusse invece una incertezza nelle condizioni iniziali per i diversi punti spaziali che avrebbe causato minuscole fluttuazioni quantistiche che potrebbero essere state amplificate dal periodo di inflazione. Secondo questa teoria, la densità della materia varierebbe leggermente da un luogo all’altro nell’Universo e la forza di Gravità avrebbe fatto si che regioni più dense abbiano iniziato a contrarsi portando alla formazione delle galassie. Questa teoria risolverebbe alcuni aspetti della teoria del Big Bang, spiegando l’uniformità dell’universo su grande scala.
Teoria dello stato stazionario
Un’altra teoria, quella dello stato stazionario, proposto nel 1948 da Fred Hoyle, Hermann Bondi, Thomas Gold come alternativa alla teoria del Big Bang, ipotizza che l’universo non abbia avuto un inizio singolare come il Big Bang, ma sia sempre esistito in uno stato stazionario.
teoria dello stato stazionario confrontata con quella del Big BangBig Bang and Steady-State Theory.png – Wikimedia Commons
In pratica, secondo questa teoria, la materia si creerebbe costantemente per compensare l’espansione dell’universo in modo che le condizioni complessive possano rimanere stabili nel tempo.
Teoria del ciclo cosmico, Loop Quantum Gravity (LQG).
La gravità quantistica a loop fa parte di una famiglia di teorie della gravità canonica quantistica. In parole più semplici è una teoria quantistica della gravità nella quale lo spazio reale in cui accadono i fenomeni fisici, o eventi, è quantizzato Possiamo quindi immaginare un universo costituito da anelli (in inglese loop) delle dimensioni infinitesime di 10−35 metri, ossia dieci miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di nanometri. Questi anelli possono contenere una certa quantità di energia che non può mai diventare infinita come in una singolarità gravitazionale. Questa teoria conserva gli aspetti fondamentali della relatività generale, come ad esempio l’invarianza per trasformazioni di coordinate, e allo stesso tempo utilizza la quantizzazione dello spazio e del tempo.
Il punto di partenza di questa teoria nacque dal tentativo di conciliare il modello standard del Big Bang (relatività generale di Einstein) con la meccanica quantistica, ipotizzando che esistano continue contrazioni dell’universo come in una gigantesca molla, che si contrae e si espande infinite volte, rimbalzando ogni volta che collassa su se stessa, dando così luogo ad una nuova espansione. Dopo un’espansione dell’universo, seguirebbe una contrazione, che porterebbe a un nuovo Big Bang e un nuovo ciclo.
Teoria delle stringhe e cosmologia brane
Una teoria molto interessante è la teoria delle stringhe (string theory o “teoria delle corde”) che ipotizza un quadro teorico nel quale le particelle puntiformi sono sostituite da oggetti uno-dimensionali chiamati stringhe, caratterizzati da determinati “modi di vibrazione”. La teoria descrive come le stringhe si propaghino nello spazio e nel tempo, interagendo tra loro, e le particelle elementari siano assimilabili a piccole cordicelle interagenti che si muovono nello spazio, mantenendo l’idea newtoniana di spazio-tempo e quindi non incorporando fino in fondo la gravità generale. Questa teoria rappresenta una teoria unificata di tutte le forze esistenti tra le particelle.
Brane parallele a 3 dimensioni (d-brane) composte da brane a 2 dimensioni (p-brane) a loro volta contenenti le stringhe; nella figura, una stringa collega le due brane che possono accidentalmente collidere – autore Rogilbert D3-brane et D2-brane.PNG – Wikimedia Commons
Una teoria molto interessante è la teoria delle stringhe (string theory, o “teoria delle corde”) che ipotizza un quadro teorico nel quale le particelle puntiformi sono sostituite da oggetti uno-dimensionali chiamati stringhe, caratterizzati da determinati “modi di vibrazione”. La teoria descrive come le stringhe si propaghino nello spazio e nel tempo, interagendo tra loro. La teoria delle stringhe ipotizza che le particelle elementari siano assimilabili a piccole cordicelle interagenti che si muovono nello spazio, mantenendo l’idea newtoniana di spazio-tempo e quindi non incorporando fino in fondo la gravità generale. Di contro questa teoria rappresenta una teoria unificata di tutte le forze esistenti tra le particelle. A scale di distanza maggiori della sua lunghezza, la stringa è assimilabile ad una particella ordinaria, con massa, carica e le altre proprietà determinate dal suo modo di vibrazione.
Poiché una di questi corrisponde al gravitone, l’ipotetica particella mediatrice della gravità, la teoria delle stringhe può considerarsi una teoria di gravità quantistica. In questo contesto, alcune versioni della teoria delle stringhe suggeriscono l’esistenza di altre dimensioni ed oggetti chiamati brana, entità elementare che può avere qualsiasi numero di dimensioni, un oggetto dinamico che si propaga nello spazio-tempo, potenzialmente dotato di un’energia e di altre proprietà fisiche, come una carica elettrica. Una brana può essere tridimensionale o anche più e con una quantità sufficiente di energia potrebbe ingrandirsi a dismisura raggiungendo persino le dimensioni dell’universo.
Questo concetto complesso ha rivoluzionato il concetto delle stringhe e della cosmologia moderna che si è evoluta nella cosiddetta “M teoria” o “teoria delle membrane”. Per indicare la dimensionalità della brana si scrive p-brana, dove p è il numero di dimensioni. In particolare:
0-brana è priva di dimensione e corrisponde a una particella puntiforme;
1-brana è monodimensionale e corrisponde a una stringa, che può essere aperta o chiusa;
2-brana ha due dimensioni e corrisponde a una “membrana”;
e così di seguito.
La cosmologia brane propone che l’universo visibile sia una brana in un universo multidimensionale e che le collisioni tra brane possano aver dato origine al Big Bang, a causa della collisione di due membrane multidimensionali in un modello ciclico dell’Universo. Secondo questa ipotesi, a un determinato istante, prima del Big Bang, due brane giganti, rappresentanti due universi paralleli, cominciarono ad avvicinarsi, fluttuando nello spazio multidimensionale, fino a collidere. L’energia liberatasi dalla collisione provocò il Big Bang, creando l’espansione della “brana-universo” e riscaldando tutte le particelle ad altissima temperatura.
In estrema sintesi, la teoria delle stringhe è uno scenario teorico con l’intento di unificare la meccanica quantistica e la relatività e che si basa su un’ipotesi fondamentale ovvero che materia, energia, spazio e tempo, sono in realtà manifestazioni diverse di un’unica entità primordiale nota come stringa (p-brane).
Come preannunciato l’argomento è molto complesso e richiede una notevole astrazione dalla realtà ma la fantasia umana non ha limiti.
Vincenzo Popio
Note
1 Curiosamente, il termine Big Bang (Grande botto) contiene una contraddizione poiché non fu “big”, dato che l’Universo sarebbe di fatto emerso da una singolarità, e nemmeno un “bang” dato che non c’era un mezzo su cui si sarebbero potute propagare le onde sonore.
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.