Universo inflazionato – parte prima: i punti oscuri del Big Bang

Universo01

Non ci sono più dubbi. Lo sa anche la casalinga di Verona: l’universo è nato da una grande esplosione 13,7 miliardi di anni fa da una “singolarità” (a temperatura e pressione indefinibili e raggio tendente a zero) generando l’universo.

A una prima caldissima fase in cui la radiazione era la componente dominante dell’Universo (durata circa 105 anni) è seguita l’attuale lunga epoca dominata dalla materia.

Il residuo odierno di questa prima fase è la radiazione di fondo cosmico ad una temperatura di 2,7 K  (gradi Kelvin) proveniente in maniera isotropa da tutte le direzioni del cielo e da una distanza di circa 3000h –1megaparsec (un megaparsec, o Mpc, è pari a più di tre milioni di anni-luce), dove h è la costante di Hubble in unità di Ho =100 km/s/Mpc.

Questa distanza costituisce il nostro orizzonte osservabile, cioè la massima profondità che un rivelatore di onde elettromagnetiche, sia esso un telescopio o un’antenna radio, possa direttamente indagare.

E’ la teoria del Modello Cosmologico Standard sovente anche chiamato modello del Big Bang.

Da allora l’universo ha continuato a raffreddarsi ed a espandersi.
Questo modello ha fornito una valida spiegazione a molti aspetti dell’Universo osservato tra i quali il red-shift della luce delle galassie lontane, la radiazione cosmica di fondo a microonde e le abbondanze primordiali degli elementi più leggeri, eventi che hanno avuto luogo dopo il primo secondo dall’inizio di tutto.

Ma lascia nel contempo molti punti oscuri. Quali?

• L’universo su larga scala infatti è straordinariamente uniforme, tanto che se guardiamo in direzioni opposte, vediamo più o meno la stessa scena: lo stesso numero di galassie e la stessa temperatura media. Se fosse valida la teoria originaria del Big Bang, quella che conosceva Einstein, ciò sarebbe molto improbabile: sarebbe come tirare milioni di dadi e vedere che danno tutti lo stesso risultato.
• Su piccola scala invece l’universo ci appare disomogeneo. Infatti le galassie, ammassi e super-ammassi ci appaiono disformemente distribuite, che sta a dimostrare che ci doveva essere una disomogeneità delle attrazioni gravitazionali negli stanti iniziali.
• La grande precisione dell’equilibrio della densità di energia dell’Universo che determina la geometria dell’universo (il suo orizzonte).
• A tutto questo va aggiunto un altro punto oscuro. Considerazioni di origine elettromagnetico (incongruenze legate alla produzione dei monopoli magnetici e orientamento delle porte di Bloch, che non sto a spiegare) fanno ritenere che l’universo avrebbe dovuto raggiungere l’attuale temperatura di 3 K (gradi Kelvin) dopo soli 30.000 anni e non dopo gli attuali 10/15 miliardi di anni.

Più semplicemente.
I fotoni della radiazione di fondo provenienti da regioni dello spazio (o piu’ precisamente della superficie di ultimo scattering, ultima porzione di spazio trasparente) mostrano una straordinaria uniformita’ di caratteristiche in particolare di temperatura.
Come se avessero raggiunto una situazione di equilibrio termico che pero’ puo’ avvenire solo attraverso interazioni fra le varie regioni.
Il problema e’ che tali regioni non hanno a priori potuto scambiarsi informazioni poiche’ la loro separazione e’ tale che i fotoni emessi da una di esse non hanno potuto raggiungere l’altra.

Spieghiamo le cose un po’ meglio.

L’orizzonte dell’universo.
L’orizzonte dell’universo è sostanzialmente la superficie che delimita ciò che possiamo vedere da cio’ che non possiamo vedere, perché’ la luce emessa da questi eventi non è ancora arrivata fino a noi.
Immaginiamo ora di essere in un punto iniziale di ‘coordinate comoventi’ che prendiamo come riferimento, quindi uguale a zero.

Cosa sono le coordinate comoventi?

Giusto. Ok, fate un po’ di attenzione, perchè è un concetto di importanza in astronomia.
Le coordinate comoventi o meglio la distanza comovente è un modo conveniente per definire le distanze tra oggetti in maniera indipendente dal tempo. E’ la separazione che gli oggetti avrebbero oggi se entrambi gli oggetti non si muovessero.
Questa definizione è resa necessaria per rendere le coordinate un sistema che si espande assieme all’universo.
distanza comoventeFaccio un esempio per essere più chiaro.
La parte alta della immagine riporta le distanze delle case di un paesino dalla scuola. Ora se ingrandiamo (espandiamo) la foto del doppio, le case si sono allontanate del doppio, ma le distanze sono rimaste le stesse.

Ora domandiamoci qual’è la distanza percorsa dalla luce a partire da t=0, ovvero dal big bang.

Durante un intervallo di tempo dt la luce percorre una distanza comovente dx = c dt/a (c=velocità della luce) cosicché la distanza comovente totale percorsa dalla luce fra t=0 e il tempo t vale:

mx3EBFD

Dove il denominatore è il fattore di scala.
Bene, l’importanza di questa grandezza è che nessuna informazione ha potuto propagarsi più lontano di χ dall’inizio dei tempi.

Il problema è, quindi, che tali regioni non hanno a priori potuto scambiarsi informazioni poiche’ la loro separazione è tale che i fotoni emessi da una di esse non hanno potuto raggiungere l’altra.

Regioni separate da distanze superiori a χ non hanno potuto essere in contatto causale.

χ rappresenta l’orizzonte comovente, più esattamente, l’orizzonte di particella.
Naturalmente si può anche pensare χ come un tempo e allora viene chiamato “tempo conforme”.

La curvatura dello spazio.
In merito alla curvatura dello spazio l’esistenza di un orizzonte dipende dalla forma della funzione a(t) cioe’ dal modello di universo.
Dalla equazione di Friedmann si ricava che  Ω=1 (rapporto fra densità reale e densità critica dell’universo), ovvero la curvatura e’ nulla.

L’universo quindi all’inizio della sua evoluzione termica doveva essere in condizioni tali che la densità fosse 1 o, cosa equivalente, che la curvatura dell’universo fosse nulla.

L’entropia.
Per quanto riguarda l’entropia (tendenza di un sistema al disordine) l’entropia , S , della regione visibile dell’universo è data dall’entropia contenuta in una sfera il cui raggio è pari all’orizzonte attuale.

L’entropia è circa pari al numero di fotoni contenuti nella sfera.

Entropia

Nel Modello Standard l’espansione dell’universo è adiabatico (sistema chiuso che non può scambiare calore con l’ambiente esterno) e quindi tale enorme valore della entropia deve apparire come una condizione iniziale.

S è adimensionale e a priori non c’è alcuna giustificazione o spiegazione perché una quantità adimensionale debba avere un tale valore.

Ok, spiegata alla meno peggio le più note  incongruenze (salto quella riguardante i monopoli magnetici, troppo complicato da spiegare in questa sede), qual’è il motivo di queste incongruenze?

Difficile dare una risposta. Tutto quello che la scienza sa, parte dai pochi istanti successivi al Big Bang. Andare oltre questo limite ce lo impedisce la meccanica quantistica.

Perché penserete?
Ve lo faccio spiegae da un esperto in meccanica quantistica, il mio cane.

Perché il concetto della singolarità è solo conseguenza della descrizione della versione classica della Relatività Generale, quando sappiamo che per le leggi che governano lo spazio-tempo dell’estremamente piccole dovremmo usare la meccanica quantistica.

Detta in parole più semplici – continua il mio assitente a quattro zampe – la meccanica quantistica ci dice che la costante (spazio-tempo) di Planck è la minima lunghezza al di sotto della quale lo spazio perde qualsiasi significato fisico. Tanto per rendere l’idea guardate l’ordine di grandezza della costante di Planck: 6,626 * 10^-34 Js (6,626 diviso 10 seguito da 34 zeri) .

La teoria classica è applicabile, quindi solo a tempi successivi al tempo di Planck.

Cosa fare allora se nessuna teoria può descrivere cosa successe entro i primissimi attimi dalla esplosione del big Bang?

Tutti questi problemi vennero abilmente risolti, almeno teoricamente, dalla teoria inflazionaria, sviluppata nei primi anni ottanta dal fisico statunitense Alan Guth .

Ma di questo e della “polarizzazione primordiale B” ne riparliamo nel prossimo post. Ora esco con il mio amico a quattro zampe.


Informazioni su bruce

Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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23 risposte a Universo inflazionato – parte prima: i punti oscuri del Big Bang

  1. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Non tutte le casalinghe lo sanno. La casalinga di Torino, per esempio (e’ mia sorella…😆 ) non sa cos’e il big bang (segue).

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    • bruce ha detto:

      Forse tua sorella è di Torino periferia😆

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      • MARGHIAN ha detto:

        Quasi periferia. Ma forse molti del centro ne sanno meno di lei. E non mi ricersico a gente che ha fatto solo la scuola elementare.

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        • MARGHIAN ha detto:

          “non mi ricersico..” naturalmente è “riferisco..”. Ciao.

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        • bruce ha detto:

          Giusto. Ma come spesso dico, non è preoccupante la mancanza di conoscenza, perchè dipende da molti fattori non per ultimo dalla predisposizione di ognuno di noi, mi preoccupa invece il numero ancora di persone alle quali fa più comodo rifugiarsi nel soprannaturale rifiutando la conoscenza come se li faccia star bene vivere senza conoscenza.
          Forse un giorno farò un post commentando la celebre frase di Dante: “fatti non foste per vivere come bruti ma per seguire virtude e CONOSCENZA”.
          Costoro Dante li ha messi nell’inferno.

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          • MARGHIAN ha detto:

            Ciao bruce… tu i hai scritto “giusto”, io ti scrivo giustissimo. Ci sono persone che durante la vita non acquisiscono certa conoscenza, ed hanno quella normale “ignoranza in materia”-tipo mia sorella per la fisica- , mentre altri rifuggono proprio dal conoscere. Anche per “bigottismo religioso”, certamente.

            Conosco questi versi della divina commedia, che Dante nel 26esimo canto mette in bocca ad Ulisse. Lui di voglia di conosere ne aveva sicuramente.
            “Costoro Dante li ha messi nell’inferno”. Non capisco pero’ una cosa, la Bibbia ci ha messo proprio chi voleva sapere (“per aver mangaito dall’albero della conoscenza…” eccetera). Ciao.

            Marghian

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  2. Rebecca Antolini ha detto:

    Inizia bene questo post sembra una dedica a me:mrgreen: ( per chi non lo sa .. sono io la casalinga di Verona )

    Come sempre nei tui blog fai ottime spiegazioni detagliati ( quasi conosci anche l’ora e i secondi del Big Bang😀 )

    Dovresti scrivere un pò di meno altrimenti per me tutto diventa pesante … e non vorrei fare la figura da ignorante o magari potrei sembrare che mi manca un pò la coscienza per la scienza..

    In questi giorni ho tante cose da fare e sistemare.. sperò tu e la tua moglie, figlio e Bleff il cane sapiente stata bene.. ti abbraccio Pif

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    • bruce ha detto:

      Ciao carissima, hai visto che riguardo ho per te, ti presento anche al grande pubblico della scienza, questo significa che ti penso anche quando scrivo, è forse amore?😆

      Scrivere un po’ di meno? Ah, ah, ah, cara mia, devi sapere che io lo faccio apposta …. per farvi stare più a lungo qui da me😆
      In verità certe volte mi allungo un po’ per essere più chiaro, alcuni concetti vanno spiegati per benino, così capisce anche qualcun altro e non solo …. Bleff😆

      Anch’io ho molto da fare, portare il cane fuori, un po’ di pulizie, fare la spesa, cucinare, caricare la lavastoviglie, portare il cane fuori, riportare il cane fuori e riportare ancora il cane fuori😆
      Un abbraccio.

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      • MARGHIAN ha detto:

        Ciao Bruce. I “punti oscuri” della teoria del famoso big bangsono secondo me, e credo anche secondo te ed altri, come gli “anelli mancanti” della teoria di Darwin. Gli “anelli mancanti”, e le scoperte che in qualche modo “metttono in crisi” certi aspetti del darwinismo, di fatto non negano che ci sia stata una evoluzione. Cosi’ e’, a mio avviso, per l’universo, dove se da un lato ci sono cose ancora da “mettere in quadro” dall’altro c’e il fatto inconfutabile che l’universo si espande; e se si espande viene da se’ che c’e stato un inizio, qualcosa di simile- non di ugale come sai- ad uan esplosione, che e’ ancora in corso.

        Appunto, e’ il “Big bang”, almeno per cio’ che riguarda “l’universo dove siamo noi” (potremmo trovarci in uno dei tanti “lobi” di un universo suddiviso in piu’ “porzioni”, anche se e’ chiaro che quando si dice “bog bang” o “stato stazionario” ci si riferisce al nostro universo “conosciuto”). Sulle modalita’ e le implicazioni, ovviamente, contano e non poco i dettagli, come la questione delll’entropia iniziale, l’orizzonte delle partivelle od altro. Ah, bella la spegazione di Blef circa la condizione iniziale dell’universo, proprie di un esperto di meccanica quantistica.

        Mi ricordo che hai già trattato dei problemi sollevati dal concetto di “singolarità”,anche in riferimento alle ultime teorie di Hawking sui buchi neri (mai una singolarità nuda, ma..) e, per analogia, prima del big bang- od in un eventuale big crunch- non si ha proprio una seingolarita’ “adimensionale”. Ricordo-correggimi se sbaglio..- che la cosa era in relazione con la questione della “creazione dal nulla”

        Marghian

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        • bruce ha detto:

          Ciao marghian, il tuo paragone calza perfettamente.
          D’altra parte sarebbe illogico il contrario, sarebbe illogico un mondo senza cose da scoprire, il mondo sarebbe piatto e insignificante.
          Ma la natura, per fortuna, si comporta un po’ come le donne, una volta che credi di capirle, ecco che c’è ancora qualcos’altro di imprevedibile e di nuovo da scoprire. Insomma la natura ci riserva una sorpesa dietro l’altra. Come le donne. E questo è il bello ed anche il sale della vita di coppia e della scienza.
          Dolce notte.

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      • Rebecca Antolini ha detto:

        Sei proprio un caslingo❤ un uomo da sposare, macedomo per il cane … e entrambe neofisico…😉

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  3. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Rebecca 🙂

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  4. MARGHIAN ha detto:

    Ciao Bruce. Ah, un bel paragone lo hai fatto tu, adesso-o quando hai scritto il commento-. “Come le donne”. Misteriose- ma non solo per chi e’ single..- ed imprevedibili ….come la scienza, appunto. In quanto poi al tempo che ho per rimediare..non e’ mai troppo tardi, chissa’. Per adesso applico il non pensarci piu’ di tanto, credo che mi convenga.

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  5. bruce ha detto:

    Caro mio, devi volerlo. Ti ricordi la vecchia trasmissione Rai. “non è mai troppo tardi”?
    Eppoi non sei niente male, hai esperienza in casa, dei buoni hobby, simpatico, un buon lavoro, sarebbe ora che qualche bella donzella si facesse avanti se tu sei un po’ …. recalcitrante/timido😆
    Dolce notte

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    • MARGHIAN ha detto:

      Ciao. Nulla da obiettare sul “devi volerlo” o che “non sia mai troppo tardi”. Vedi, la frase “applico il non pensarci piu’ di tanto, credo che mi convenga” e’ in riferimento a tante persone sole- che ne conosco, per nome, cognome, indirizzo.- che si lasciano andare, e che sono ossessionati dal problema. “Non pensarci piu’ di tanto” va inteso proprio in questo senso. “MI conviene ” nel senso di essere piu’ tranquillo di altri che, nella mia stessa condizione, soffrono di fatto piu’ di me, e me ne dispiace. Ciao.

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