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livello medio
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ARGOMENTO: ASTROFISICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: cosmologia
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Il fisico Stephen Hawking ipotizzò una teoria per spiegare la nascita dell’Universo, proponendo l’ipotesi che l’Universo fosse in realtà un gigantesco ologramma.
Stephen William Hawking, CBE CH (Oxford, 8 gennaio 1942 – Cambridge, 14 marzo 2018), è stato un cosmologo, fisico, astrofisico, matematico e divulgatore scientifico britannico fra i più autorevoli e conosciuti fisici teorici al mondo, noto soprattutto per i suoi studi sui buchi neri, sulla cosmologia quantistica e sull’origine dell’universo.
Hawking ed uno dei suoi maggiori collaboratori, Hertog, ricorsero all’olografia per risolvere il problema di come il tempo fosse sorto all’inizio dell’universo, circa 13,8 miliardi di anni fa, quando partì l’orologio cosmico … un momento prima del quale il tempo non esisteva. Per dimostrare la teoria di Stephen Hawking sarà necessario guardare indietro nel tempo fino al Big Bang, cosa che con gli strumenti attuali è ancora è impossibile in quanto l’universo appena nato, nel suo stato caldo e denso, era opaco alla luce.
e se l’universo non fosse sferico? La somma degli angoli di un triangolo possono avere importi diversi a seconda del tipo di curvatura spaziale presente. Un Universo con curvatura positiva (in alto), negativa (al centro) o piatto (in basso) avrà gli angoli interni di un triangolo con valori rispettivamente più, meno o esattamente uguali a 180 gradi. La geometria locale dell’universo è determinata dal fatto che Omega sia minore, uguale o maggiore di 1. Tornando al disegno, dall’alto verso il basso, abbiamo un universo sferico (chiuso), uno iperbolico e uno piatto (entrambi aperti). Hawking ha sostenuto il primo modello, ma ha affermato che anche il terzo potrebbe essere adeguato. Non esisterebbe quindi un inizio o un confine reale nell’universo di Hartle-Hawking – autore NASA
End of universe.jpg – Wikimedia Commons
Solo quando l’universo si espanse ed incominciò a raffreddarsi, circa 300.000 anni dopo il Big Bang, gli elettroni incominciarono a legarsi ai protoni per formare atomi. La scomparsa di elettroni liberi durante questa fase dell’universo, nota come epoca di ricombinazione, permise ai fotoni di viaggiare liberamente nel cosmo, rendendo così l’universo trasparente. Esiste tuttavia un’altra forma di radiazione, e quindi di informazione, da studiare: le onde gravitazionali, piccole onde generate da oggetti di grande massa in accelerazione nello stesso tessuto dello spaziotempo. Le onde gravitazionali potrebbero raggiungerci direttamente dall’inizio dell’universo e quindi rivelarci cosa avvenne in quella fase primordiale durante la quale le leggi della fisica si stavano ramificando.
L’ipotesi che il nostro universo funzioni come un enorme e complesso ologramma fu formulata negli anni ’90 del secolo scorso da diversi scienziati ed implica che spazio, tempo e materia debbano essere rivisti concettualmente. Cosa difficile da comprendere essendo noi abituati a toccare con mano le cose che ci circondano; secondo l’ipotesi di Stephen Hawking di un universo olografico, questo non sarebbe una realtà concreta ma si spiegherebbe solo con una rappresentazione olografica per cui la realtà che noi percepiamo con i nostri sensi non esisterebbe. In parole semplici, si fa per dire, l’universo, nonostante la sua apparente solidità, sarebbe in realtà un “Ghost” della mente, un gigantesco ologramma dettagliato in tutti i suoi fenomeni osservabili, compreso ciò che ci riguarda da vicino, l’Umanità. Un‘ipotesi sconvolgente, difficile da accettare, ma matematicamente plausibile.
Con l’introduzione del concetto di Informazione relativa ai bit informatici, si è infatti constatato che il limite di informazione che può essere contenuta da un oggetto non è determinato dal suo volume ma è legato solo alla sua superficie. Per esempio, la quantità di informazione trattenuta in un buco nero risulta essere quella della sua superficie e non del suo volume, come risulterebbe dalla nostra esperienza cognitiva ordinaria. Potremmo immaginarci che tutto ciò che vediamo, percepiamo e ascoltiamo in 3D e la percezione del tempo siano in realtà l’emanazione di un campo piatto bidimensionale, cioè che la terza dimensione sia emergente, se paragonata alle altre due dimensioni, come in un ologramma dove essa viene generata dinamicamente a partire dall’informazione sulle rimanenti due dimensioni. L’informazione, in questo caso, verrebbe da uno schermo piatto, ma sarebbe percepita dall’osservatore come tridimensionale. Questo significa che, analogamente ai buchi neri, anche il resto dell’universo, non sarebbe reale, ma rappresenterebbe una raffigurazione olografica.
In questo caso, l’universo sarebbe il riflesso olografico di una matrice posta lontana nello spazio che riflette leggi ed esperienze che sono in origine bidimensionali. La constatazione dell’esistenza di una sola “lastra olografica” cosmica da cui avrebbe origine l’immagine olografica dell’universo potrebbe spiegare il fenomeno dell’entanglement quantistico 1. Questa particolare proprietà quantistica comporta che tutte le particelle siano sempre istantaneamente relazionate tra di loro, manifestando una comune informazione. Ma sorge un altro problema, il tempo. Nei primi istanti di vita dell’universo, dai quali siamo abituati a far partire il tempo, le leggi della fisica hanno permesso di costruire due soli tipi di atomi: idrogeno ed elio, dai quali deriva tutto quello che conosciamo, inclusi gli esseri viventi.
Le misure astronomiche ci dicono che l’universo attuale è costituito per il 73% da idrogeno ed il 24,7 % da elio. Nei 13,7 miliardi di anni che ci separano dal Big Bang, le reazioni nucleari avvenute all’interno delle stelle sono riuscite a trasformare solo il 2.3% della materia in atomi più pesanti dell’Elio, e quindi non si sarebbe mai potuta formare la quantità d’Elio che oggi si osserva. L’aumento del disordine, o entropia 2, con il passare del tempo costituisce un esempio della cosiddetta freccia del tempo, qualcosa che ci fa comprendere il concetto di passato e futuro, dando al tempo una precisa direzione. La freccia del tempo cosmologica è quindi la direzione del tempo in cui l’universo si espande. Per semplificare le cose, ma anche per farci sorgere nuovi dubbi, si ricorre alla fisica quantistica che sembra possa fare a meno della nozione di tempo. Infatti, nell’infinitamente piccolo, velocità e posizione non possono essere misurate nello stesso momento. Nei sistemi quantistici il tempo può quindi scorrere sia avanti nel tempo che indietro, e lo può fare simultaneamente, lungo due frecce temporali opposte.
L’origine del tempo è stata la pietra angolare, ma anche il tallone d’Achille della cosmologia del Big Bang. La teoria di Hawking del Big Bang ipotizza quindi l’origine dell’Universo come un evento di creazione quantistica, immaginando l’Universo come una proiezione olografica. A Stephen Hawking piaceva visualizzare questa idea in un’immagine simile a un disco. Il cerchio esterno raffigura un ologramma senza tempo costituito da innumerevoli Qubit (quantità di informazione quantica). Il disco mostra l’evoluzione di un Universo in espansione verso l’esterno nella direzione radiale e la sua origine si trova al centro del disco. È come se ci fosse un codice operante sui qubit entangled che crea l’Universo e questo è ciò che percepiamo come flusso del tempo man mano che ci avventuriamo verso l’interno del disco. Alla fine tutto si rimpicciolisce e si esauriscono i bit. Secondo la teoria di Hawking questa è l’origine del tempo e non ci può essere nulla prima del Big Bang, perché il passato che emerge olograficamente non si estende più indietro. Il Big Bang emerge dall’olografia non tanto come l’inizio del tempo ma come l’inizio delle leggi e la loro capacità di cambiare. Una teoria che ci farebbe capire che la realtà non è come ci appare!
Vincenzo Popio
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in anteprima teoria toroidale dell’Universo dove un movimento in linea retta riporta alla posizione originale, anche in uno spaziotempo non curvo (piatto). Senza l’accesso a una visione dimensionale superiore di come ci appare il nostro mondo 3D, non possiamo conoscere o misurare la sua vera estensione e forma nello spazio. Credito: ESO/J. Law – credit ESO
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Note
1. L’entanglement quantistico, o correlazione quantistica, è un fenomeno quantistico, non riducibile alla meccanica classica, derivante dal principio di sovrapposizione della meccanica quantistica per il quale due o più sistemi fisici (tipicamente due particelle) possono costituire sottosistemi di un sistema più ampio, il cui stato quantico è rappresentato da una combinazione (sovrapposizione) dei loro singoli stati. In questa condizione, in cui i sistemi si definiscono correlati (entangled), la misura di un’osservabile di uno determina simultaneamente anche il valore per gli altri. Poiché lo stato di sovrapposizione quantistica risulta indipendente da una separazione spaziale dei sistemi coinvolti, l’entanglement implica in modo controintuitivo la presenza di correlazioni a distanza e, di conseguenza, il carattere non locale della realtà fisica.
2. con il termine entropia si intende la misura del disordine presente in un sistema fisico.
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PARTE I PARTE II
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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.