Teoria dell'Universo inflazionario
MAPPA della PAGINA: Universo INFLAZIONARIO... Agg. 26.07.2004
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Ilya Prigogine... IL TEMPO: Un vuoto instabile
Il modello classico del Big Bang presentava delle carenze dal punto di vista concettuale che hanno portato allo sviluppo di un nuovo modello delle primissime fasi della storia dell’Universo. Questo nuovo modello, detto Modello Inflazionario, ha molte caratteristiche in comune con quello del Big Bang. La teoria del Big Bang data la nascita dell'Universo a 1015 miliardi di anni fa, e lo descrive come una palla di fuoco primordiale di densità e temperature altissime che da allora ha continuato a raffreddarsi ed a espandersi. Questo modello inoltre 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. Prima di Guth, l'artefice del modello inflazionario, nessuno aveva mai proposto ipotesi su cosa fosse avvenuto durante il primo secondo dell'Universo, si pensava che la temperatura, nel primo attimo, fosse superiore ai 10 miliardi di K ma poco si sapeva sulle proprietà delle materia a tali condizioni, perciò estendere il modello classico del Big Bang ad un tempo in cui regnava l'incertezza, fece sorgere numerosi problemi:
(*)-Difficoltà di spiegazione dell'omogeneità su grande scala dell'Universo osservato (evidente nella radiazione di fondo). L'Universo si evolve troppo velocemente perché si possa raggiungere l'uniformità con i consueti processi con cui un sistema si avvicina all'equilibrio termico. In ogni momento esiste una distanza massima detta "distanza-orizzonte" percorribile da un segnale luminoso dall'inizio del tempo, distanza che dovrebbe trovare corrispondenza pragmatica nell'analisi della radiazione cosmica di fondo. Secondo il modello classico del Big Bang caldo le distanze osservate da due sorgenti di radiazione cosmica erano circa 90 volte maggiori della distanza-orizzonte teorica. Da questi presupposti è necessario ipotizzare l'omogeneità dell'Universo come condizione iniziale già propria del Big Bang.
(*)-Difficoltà di spiegazione della disomogeneità su piccola scala di galassie, ammassi e superammassi. Per spiegare ciò è necessario ipotizzare l'esistenza di uno "spettro di disomogeneità iniziali" pensando che dopo 10-45 s a causa delle attrazioni gravitazionali reciproche si siano formate le primitive disomogeneità, considerazione che va contro le precedenti conclusioni.
(*)-La grande precisione dell'equilibrio della densità di energia dell'Universo. Se la densità dell'Universo è maggiore di quella critica lo spazio si dovrebbe incurvare su se stesso, le linee parallele convergerebbero e la gravità prima o poi arresterebbe l'espansione per poi iniziare la contrazione (Big Crunch, Universo chiuso). Se la densità è minore di quella critica le linee parallele dovrebbero divergere e l'Universo si espanderebbe indefinitamente (Universo aperto). Invece se due densità sono uguali l'Universo continuerebbe ad espandersi a velocità decrescente (Universo piatto, detto anche Spazio Euclideo [nell'estate del 2003, noi fisici teorici, possiamo con "certezza" affermare che è piatto !!!]. Infatti, Boomerang non ha potuto esplorare tutto il cielo, come aveva invece fatto COBE, ma solo una piccola parte, circa il 2%. Nonostante questo, la precisione del suo strumento è stata estremamente superiore. I dati che ci ha fornito, allora, ci permettono di imparare molte cose nuove sull'universo in cui viviamo. In particolare, l'analisi delle mappe fornite da Boomerang ci ha dà informazioni preziosissime sulla struttura profonda dello spazio-tempo del nostro universo e sul suo contenuto di materia. La struttura geometrica e il contenuto di materia dell'universo sono due quantità intimamente legate, grazie alla teoria della relatività generale. La densità di materia dell'universo, infatti, può incurvare lo spazio-tempo, determinando una geometria "sferica'' oppure "iperbolica''. Solo se la quantità totale di materia è uguale ad un certa quantità critica, allora la geometria globale dell'universo è piatta. In questo caso, la struttura dello spazio su grande scala è la stessa che noi osserviamo nella nostra esperienza quotidiana, quella della geometria euclidea. Secondo i dati di Boomerang la densità di materia del nostro universo è uguale a quella critica.
Questo ha due implicazioni fondamentali:
(1)-la geometria dell'universo è euclidea (cioè quella "standard") anche su grande scala;
(2)-gran parte della materia presente nel nostro universo è ancora sconosciuta.
(*)-Un grave problema deriva dalla combinazione delle G.U.T. e della teoria del Big Bang. Nella transizione tra la fase simmetrica e quella a simmetria spezzata si formano numerosi difetti, quando regioni diverse della fase simmetrica subiscono una transizione verso stati di simmetria spezzata diversi (circa come la cristallizzazione di un liquido). Nelle G.U.T. esistono gravi problemi cosmologici legati a difetti puntiformi che corrispondono a monopoli magnetici ed a difetti puntiformi detti “pareti di Bloch“, questi, stabili e massicci, (m difetto = 1016 m protone), sarebbero numerosissimi dopo la transizione di fase e dominerebbero la densità di energia dell’Universo accelerandone l’evoluzione successiva. Se così fosse la radiazione di fondo avrebbe raggiunto la sua temperatura attuale di 3 K solo 30.000 anni dopo il Big Bang e non oggi dopo 10-15 miliardi di anni. Ne deduciamo che qualunque combinazione di Big Bang e G.U.T. debba comprendere una teoria capace di dimostrare la presenza di qualche meccanismo che blocchi la produzione dei monopoli magnetici.
Tutti questi problemi vennero abilmente risolti, almeno teoricamente, dalla teoria inflazionaria, sviluppata nei primi anni ottanta dal fisico statunitense Alan Guth, non potendo spiegare l’attuale grado di omogeneità dell'Universo, se non ipotizzando un processo d'espansione eccessivamente rapido, lo scienziato decise di ammettere questa ipotesi. Guth basò la propria teoria dell'inflazione sulle ricerche condotte dal fisico Stephen Hawking sul comportamento di campi gravitazionali estremamente intensi, simili alle vicinanze di un buco nero o al tempo dell'Universo primordiale. Il lavoro di Hawking mostrava che tutta la materia dell'Universo doveva essere stata creata da una fluttuazione quantistica dello spazio verificatasi in determinate condizion (una delle cose cose sensate che, in qualche momento di luciditàdità, S.HawKing ha saputo partorire); Guth allora utilizzò la teoria dei campi per mostrare che un certo numero di transizioni di fase potevano aver avuto luogo nei primi istanti di vita dell'Universo e che una regione di quello stato caotico originario poteva essersi gonfiata (in inglese to inflate, “gonfiarsi”, da cui il termine “inflazione”) così rapidamente da permettere la formazione dell'Universo osservabile. Lo studio teorico di Guth s'imbattè nel concetto di inflazione analizzando le G.U.T. della fisica delle particelle, secondo le quali la forza nucleare forte, la forza nucleare debole e la forza magnetica ad alte temperature, cioè a livelli energetici impensabili non riproducibili sperimentalmente ma ipotizzabili negli istanti successivi al Big Bang, si fonderebbero, nel periodo detto Era G.U.T.: egli ipotizzò che i livelli energetici che possono permettere la fusione delle quattro forze rendano possibile anche fenomeni di transizione di fase che stanno alla base dell'intera sua teoria. Aprendo una breve parentesi di approfondimento l'Era G.U.T. finisce quando l'interazione nucleare si separa dalle altre forze e l'Universo subisce una transizione di fase simile alla trasformazione di H2O in ghiaccio. La transizione di fase è il passaggio della materia da uno stato aggregato all’altro in un periodo di tempo infinitesimo. Verso la fine di questo periodo la transizione potrebbe essere ritardata in certe regioni dell'Universo lasciandole in uno stato di sovraraffreddamento (come acqua liquida al di sotto della temperatura di 0° C: l'acqua pura se raffreddata a pressione costante può arrivare anche a -18° C senza congelare però, una volta iniziato il congelamento a queste condizioni, il passaggio di stato avviene con velocità stupefacente). Queste regioni sovraraffreddate sarebbero entrate in uno stato speciale detto "falso vuoto" (NOTA: Da un falso vuoto [il vuoto non è mai tale ma un insieme di particelle virtuali ed è sottoposto a fluttuazioni di energia che possono creare particelle materiali] di un Universo si genera un punto dove la gravità è così intensa da piegare lo spazio intorno a se, come una goccia) in cui la gravità diventa una forza repulsiva invece che attrattiva, subendo un'espansione di breve durata ma molto intensa: l'INFLAZIONE. Una di queste regioni, tra 10-34 s e 10-32 s dopo il Big Bang, del diametro presumibilmente di 10-40 cm (più piccola di un protone) contenente un'enorme quantità d'energia si sarebbe espansa fino alle dimensioni di circa un pompelmo trasformandosi, in questo modo, in energia di massa della materia; dopo i primi 10-34 s, questa energia fece si che l'Universo raddoppiasse le sue dimensioni ogni 10-34 s. La velocità di espansione ebbe un notevole incremento durante il periodo inflazionario che termino 10-32 s dopo il Big Bang. Secondo lo scenario sopra descritto tutto l'Universo osservabile non è che un'infinitesima parte di un cosmo più grande e che quasi tutta la materia che lo costituisce è stata creata virtualmente dal nulla. L'importanza notevole dell'inflazione è dovuta al fatto che essa ha creato una discontinuità tra energia, massa e spazio rompendo così la proporzionalità che intercorreva tra loro, risolvendo i punti insoluti e dando una risposta a ciò che il Big Bang non riusciva a spiegare. I problemi cosmologici che risolve sono essenzialmente:
(*)-L'omogeneità (su grande scala) è giustificata dal fatto che la regione di spazio da cui ha preso forma l'Universo osservabile era in origine così piccola da essere già in equilibrio fin dall’inizio.
(*)-Secondo la teoria della Relatività Generale l'inflazione ha “spianato“ la superficie di quella parte di Universo che per noi è osservabile, proprio come può sembrarci piatta la superficie sferica della Terra guardata da vicino. In un Universo così piatto la densità verrebbe subito ad avere il valore critico.
(*)-Il problema delle disomogeneità su piccola scala (delle galassie e degli ammassi) viene risolto almeno teoricamente dalla teoria inflazionaria. Secondo la teoria quantistica a livello subatomico l'intensità di qualunque campo di energia fluttua sempre (come le onde in un lago). Dopo l'inflazione i rilievi inizialmente causati da questo effetto oscillante sarebbero cresciuti abbastanza per fungere da “semi“ per la nascita delle stelle e delle galassie effettivamente nate in seguito a causa della gravità.
Per quel che concerne la combinazione di Big Bang e G.U.T.. è mia opinione che la teoria dell'inflazione sia capace di dimostrare la presenza di un meccanismo che blocchi la produzione dei monopoli magnetici. La teoria inflazionaria è anche base di numerose rivisitazioni ed elucubrazioni successive che su essa hanno le loro radici.
IL MODELLO INFLAZIONARIO E LE OSSERVAZIONI DI COBE
Nella primavera del 1992 la
NASA annunciò
che il satellite ad infrarosso COBE
aveva osservato delle lievi variazioni di temperatura nella radiazione
cosmica di fondo. Se riusciamo
abbastanza bene a capire l'esistenza di strutture come stelle e pianeti, non
altrettanto bene conosciamo la struttura ed il processo di formazione delle
galassie. Le galassie e gli ammassi
galattici sono isole di materia nelle quali la densità è
enormemente più grande di quella esistente in media nell’universo
esterno. Che queste irregolarità esistano
non è un mistero: se abbiamo una distribuzione uniforme
di materia e vi introduciamo una minuscola non uniformità, essa crescerà
in modo sempre più travolgente; questo fenomeno è detto "instabilità
gravitazionale". E'
evidente, tuttavia, che se si vuol spiegare l'origine delle galassie tramite
l'instabilità gravitazionale, occorre
sapere qualcosa sulle condizioni al momento in cui ebbe inizio l'espansione
dell’universo o subito dopo. Il satellite COBE
ha osservato le condizioni esistenti molto tempo prima che si formassero le
galassie e gli ammassi galattici. La radiazione
proveniente dalle prime fasi dell’universo si raffreddò con l’espansione;
dopo circa 10x106 anni, la radiazione
si raffreddò al punto da permettere la formazione di atomi e molecole.
A quell'epoca i fotoni
cominciarono a muoversi liberamente e diventarono la radiazione
di fondo. Nelle regioni con densità leggermente superiore
alla media la temperatura della radiazione diminuì più lentamente.
Ciò significa che le variazioni di temperatura
della radiazione ci forniscono un'istantanea della distribuzione della materia
10x106 anni
dall'inizio dell'espansione; le variazioni registrate sono
minime, dell'ordine di un centomillesimo soltanto. Questi livelli di fluttuazione
permettono anche di verificare alcuni aspetti dell'ipotesi dell'universo
inflazionario. Prima che venisse introdotta l'idea dell'inflazione,
il problema dell'origine delle galassie era quasi insolubile; infatti il livello
di fluttuazioni casuali che ci si aspetta che esista, in un certo momento,
era troppo basso per dar luogo alle strutture che oggi vediamo. L'inflazione
offre una via d'uscita. Se una minuscola regione dell'universo
sperimenta un periodo di espansione accelerata, anche le
fluttuazioni casuali si gonfiano e diventano l’elemento generatore delle
irregolarità alla scala del nostro odierno universo. Quando
tracciamo la mappa della distribuzione delle galassie e degli ammassi galattici
dell'universo, ci accorgiamo che il loro livello di aggregazione dipende dalla
scala a cui stiamo compiendo l'esame. Man mano che la porzione
osservata aumenta, constatiamo che la tendenza al raggruppamento diminuisce
in modo costante. Questa variazione di scala
è detta "pendenza
spettrale" dell'irregolarità
e può essere determinata osservativamente. La
teoria inflazionaria ha la
caratteristica molto attraente di poter prevedere quale particolare pendenza
spettrale ha la maggior possibilità di verificarsi:
essa prevede per il nostro universo una pendenza spettrale
"piatta",
in cui la variazione relativa di temperatura non cambia all’aumentare
dell’angolo compreso fra due direzioni.
Il satellite COBE
ha raccolto molti dati per determinare la pendenza spettrale; purtroppo la
complessa elaborazione a cui sono sottoposti tali dati, rende statisticamente
incerti i risultati. La prima serie di osservazioni pubblicate nel 1992
dava una pendenza spettrale compresa tra -0,4 e +0,6
(la pendenza "piatta"
è uguale a zero).
Nel 1994 nuove osservazioni
portarono ad una pendenza spettrale compresa tra 0 e +1,1,
con una certezza del 70%. Abbiamo
dato uno sguardo al modello inflazionario e alle sue conseguenze osservative.
Finora questo quadro dell'espansione dell'universo nei suoi primi istanti
di vita rimane fondato su una promettente teoria. Future
ricerche potranno dirci se le previsioni di questa teoria si accordano o meno
con le variazioni della radiazione cosmica di fondo. Supponendo
corretta la teoria, essa può allargare in modo straordinario
la nostra concezione dell'universo. Quando si
è parlato dell'inizio dell'inflazione, abbiamo descritto il processo
come se esso si fosse svolto in modo identico in ogni parte del cosmo.
In realtà il processo inflativo potrebbe
essersi sviluppato in modo un pò diverso da luogo a luogo.
Supponendo che l’universo nella fase pre-inflativa fosse diviso in regioni,
ognuna abbastanza piccola perché la luce potesse attraversarla all'inizio
dell'inflazione, ognuna delle regioni avrebbe potuto avere
temperatura e densità diverse, con conseguente diversità della
durata del periodo inflativo. Una piccola regione
avrebbe potuto gonfiarsi enormemente, fino a raggiungere le dimensioni di
quindici miliardi di anni luce,
mentre in altre regioni avrebbe potuto non esservi praticamente alcuna inflazione.
Se consideriamo da questo punto di vista alcuni modelli di universo inflazionario,
ci rendiamo conto che potrebbero esistere differenze ancor più radicali:
le dimensioni dello spazio potrebbero variare da regione a regione. Questo
modello noto come modello inflazionario caotico fu proposto
per la prima volta dal fisico sovietico Andrei Linde nel
1983. Linde
osservò che questo modello di
inflazione caotica presenta un altro
aspetto, del tutto inatteso: alcune regioni in fase inflativa
creano delle casuali fluttuazioni interne da cui hanno origine delle subregioni
soggette all'inflazione, queste, a loro volta, producono subregioni e così
via all'infinito. L'inflazione una volta cominciata sembra procedere da sola.
Al di là del nostro orizzonte debbono
esistere delle regioni ancora soggette ad essa. Questo perpetuo
processo potrebbe non aver avuto alcun inizio; ma la questione rimane irrisolta.
Con la teoria inflazionistica non possiamo
più supporre che l'universo visibile sia in media uguale al resto dell’universo.
Dopo un secondo di espansione, l’universo si era sufficientemente raffreddato
da poter essere descritto dalla fisica terrestre. Risalendo
indietro fino a 10-11
secondi, incontriamo delle condizioni analoghe
a quelle esistenti nei più grandi acceleratori terrestri.
Prima di quel periodo le condizioni dell’universo erano molto diverse
da quelle simulabili sulla Terra. Incerta è anche la nostra conoscenza
delle leggi naturali che operavano a quei livelli energetici. La teoria
di Einstein ha superato brillantemente tutte le verifiche a cui è
stata sottoposta, ma vi è da attendersi che essa non regga quando si
risalga all'inizio dell’espansione. Ci imbatteremmo in condizioni in
cui la teoria di Einstein non è più valida
se cercassimo di esplorare i primi 10-43
secondi. Come è noto, in corrispondenza di questo "tempo
di Planck", l’intero universo
è dominato dall’indeterminazione quantistica ed è possibile
descriverlo solo unendo la gravità alle altre forze in una onnicomprensiva
"teoria del tutto".
Quando cerchiamo di osservare cose piccolissime,
lo stesso atto di osservazione perturba in modo significativo lo stato che
intendiamo misurare; nel mondo subatomico possiamo predire
solo la probabilità che si osservino determinati risultati. Questo
stato di cose viene descritto dicendo che la materia e la luce, mostrano delle
proprietà ondulatorie. La meccanica quantistica ci
dice qual è il comportamento ondulatorio di ogni particella di materia
e quindi la probabilità che sia individuata una o un'altra proprietà.
Ogni particella della materia ha una sua caratteristica lunghezza d’onda,
associata al suo quantistico effetto ondulatorio. Questa lunghezza d'onda
è inversamente proporzionale alla massa dell’oggetto. Ripercorrendo
la storia del nostro universo si arriva al tempo di Planck
(10-43
secondi) in cui la grandezza
dell'universo visibile diventa più piccola della sua lunghezza d’onda
quantistica ed è quindi circonfusa dall’indeterminazione. Quando
questa sovrasta tutto, non conosciamo la posizione di nessuna cosa e non possiamo
determinare la geometria dello spazio. A
questo punto la teoria einsteiniana della gravitazione crolla.
Questa situazione ha indotto i cosmologi a elaborare una teoria della gravitazione
nella quale siano inclusi gli aspetti quantistici della gravità,
e ad usare di tale teoria per trovare dei possibili universi quantistici.
Secondo certe teorie, il tempo, lo spazio ed
ogni altra cosa hanno avuto origine in una singolarità.
Secondo altre, lo spazio ed il tempo sono sempre
esistiti. Ma vi è una possibilità più
sottile. Si può supporre che la natura stessa del tempo cambi
quando lo ripercorriamo all’indietro fino al tempo di Planck.
Il problema dell'inizio dell'universo
risulta allora legato al problema della natura del tempo.
L'eterna inflazione di Linde e Guth
Guth si chiese che cosa sarebbe potuto accadere se fosse stato possibile comprire la materia in un pugno ricreando le condizioni di temperatura e pressione tali da permettere una nuova G.U.T. e saltare nel "falso vuoto". Secondo Linde e Guth si creerebbe una bolla di falso vuoto, una sorta di Universo figlio che se osservato dall'esterno apparirebbe come un buco nero e se osservato dall'interno apparirebbe come un piccolo Universo in inflazione; secondo questa teoria l'Universo figlio si espanderebbe in un proprio tempo e in un suo spazio particolare, scivolerebbe ai lati del nostro Universo. A parte l'impossibilità fisica di attuare questo progetto (impensabili livelli energetici per attuare la compressione), ci sarebbe la necessità di inserire questo nuovo Universo in una singolarità già esistenze quale il nostro spazio-tempo. Come soluzione Guth afferma che lo spazio è popolato di tali singolarità nella forma di buchi neri virtuali. Il loro collasso e la loro costante vaporazione scandirebbero lo spazio ed il tempo alle scale più piccole e, forse, fornirebbero semi primordiali per innumerevoli universi paralleli. Questa teoria degli universi paralleli, una catena infinita di universi procreati da altri universi, è detta per l’appunto teoria della "eterna inflazione" (Linde). Quanto alle richieste di energia, necessarie per attuare quanto descritto in precedenza e oggi neanche pensabili, non è detto che non siano raggiungibili in un futuro tecnologico. Anche il nostro Universo potrebbe essere stato creato all’interno di qualche altro universo parallelo. Anche contro la teoria dell’inflazione si sono levate diverse opinioni discordanti da essa; nel panorama scientifico molti studiosi ritengono di averne individuato pesanti limiti. Secondo Hawking (Hawking e l'inflazione sono incompatibili :-) ) l'inflazione non può spiegare da sola lo stato presente dell'Universo: le condizioni iniziali del Big Bang e dell'inflazione portano ad infiniti teorici e potenziali universi differenti, cosicché la teoria non permette alcuna nuova determinazione del motivo per cui oggi è così, risolvendo problemi ne crea uno di grande importanza infatti le teorie di Guth prevedono che la densità della materia sia esattamente uguale a quella critica ma tutte le misurazioni compiute danno risultati di molto inferiore. Il problema posto dall'inflazione è la domanda relativa alla provenienza e alla localizzazione di tutta questa massa teoricamente ipotizzata che dovrebbe essere presente e che invece non è riscontrabile attraverso alcuna esperienza. Le indagini sulla materia visibile, cioè luminosa, hanno fornito per la densità di massa un valore pari all'1% del valore critico. Le osservazioni indicano che le galassie devono contenere 10 volte più massa di quanto non sembri; questi risultati hanno dato origine alla ricerca della massa mancante.
INCISO: Il modello inflazionario, come detto in precedenza, risolve i problemi sollevati dal Big Bang ma ne crea altri cui non sa dare risposta. Resta anche da dire che questa è una teoria non ancora verificata sperimentalmente ma è solo una delle ipotesi probabili e poiché ha uno stretto legame con la teoria della materia oscura, già considerata inaccettabile da molti scienziati, rischia anch’essa di entrare in crisi. E’è comunque appurato che il modello inflazionario ha permesso un’analisi più completa dei primi attimi del nostro Universo ed è base per ricerche future.
La dimostrazione inequivocabile della teoria dell’inflazione sarebbe l'osservazione di onde gravitazionali inflazionarie; nel 1918 A.Eintein ipotizzò l'esistenza delle onde gravitazionali come conseguenza della teoria delle relatività generale. Esse sono analoghe alle onde elettromagnetiche, le quali sono perturbazioni in movimento di un campo gravitazionale e possono trasportare informazioni ed energia dalle loro sorgenti. Ciò che le contraddistingue dalle altre radiazioni è che possono propagarsi senza impedimenti anche attraverso mezzi che assorbono tutte le forme di radiazione elettromagnetica. Questa onde dovrebbero consentire l'osservazione di fenomeni astronomici che non possono essere visti direttamente. Le onde gravitazionali non sono mai state individuate direttamente ma i dati in nostro possesso, dimostrano che coppie di oggetti estremamente densi come le stelle di neutroni o buchi neri generano onde gravitazionali mentre cadono l'uno verso l’altro. La teoria inflazionaria prevede che l'espansione dell’universo immediatamente successivo al Big Bang debba aver prodotto onde gravitazionali. Se la teoria è corretta, queste onde avrebbero generato echi in tutto l'universo primordiale e avrebbero lasciato lievi ondulazioni nelle radiazione di fondo, anomalie che oggi possono essere osservate.
DIGRESSIONE...
Dall'inflazione in poi conosciamo abbastanza bene le dinamiche di formazione del nostro Universo e l'indagine è molto meno problematica che quella della piccola porzione di tempo, ricordando che si sta parlando del primo secondo, dopo il Big Bang. La relatività einsteniana afferma che noi non vediamo le stelle, gli ammassi e le galassie come sono in quel dato momento ma come apparivano in un certo tempo che è direttamente proporzionale alla loro distanza da noi: compiere osservazioni sul profondo cielo è come viaggiare nel tempo, più guardiamo lontano più osserviamo tempi lontani. Poiché però spazio, tempo e velocità interagiscono tra loro come descritto nella formula di Hubble la quale afferma che la velocità di espansione è direttamente proporzionale alla distanza dall’osservatore, sarà facile comprendere come ai limiti dell'Universo galassie e corpi celesti abbiano velocità relative prossime a quelle della luce: 0,99c o più. A tali velocità gli effetti relativistici deformano a tal punto la realtà che è impossibile osservarla: il tempo risulta essere infinito
(Dt = Dt / ( 1-b 2 )
gli spazi infinitesimi
(contrazione di Lorentz L = L o ( 1-b2))
la relatività si fonda con le teorie quantistiche e tutti gli effetti probabili a quelle velocità bloccano ogni tentativo di analisi su qualunque base osservativa: per questo motivo le teorie sui primi attimi sono molto nebulose. Un nuovo metodo per misurare il tempo usato da noi astrofisici moderni è il seguente: si misura il tempo per mezzo di una variabile che chiameremo m data da:
m
= log 10 t
espresso in anni. In questo modo possiamo uniformare l’intera datazione dell'Universo ad una scala omogenea.
FINE DIGRESSIONE
Si può scegliere fra queste alternative contando il numero di galassie in funzione della loro distanza: se tale numero aumenta come r2 l’universo è euclideo, un aumento minore indica che esso è sferico, uno maggiore che è iperbolico.
Applet JAVA: Costruisci il tuo Universo. L'uso dell'Applet è molto intuitivo.
Purtroppo non è possibile attualmente procedere ad una verifica sperimentale diretta. Non si è ancora considerato un effetto di grande rilievo: guardare a grandi distanze nello spazio significa guardare nel passato, infatti, più una galassia si trova lontana da noi, più a lungo la luce ha dovuto viaggiare per raggiungerci e per effetto dell'espansione la curvatura dell’universo nel passato è diversa da quella odierna.Questo effetto non è tale da modificare sostanzialmente i risultati ottenuti dai conteggi delle galassie ma vi è un'altra questione che sfugge alla possibilità di misurazione: il cambiamento della luminosità delle galassie durante la loro evoluzione cosmica. Ad un universo sferico coinciderebbe un'espansione conseguente al Big Bang in continua decelerazione che porterebbe il cosmo a restringersi dopo aver raggiunto una dimensione massima; ad un universo aperto, infinito e iperbolico (a forma di sella) coinciderebbe un cosmo iniziato con un Big Bang molto violento e tale da permettere l'eterna espansione vincendo ogni effetto delle forze gravitazionali e ad un universo aperto infinito e la cui geometria è euclidea corrisponderebbe un’espansione eterna. I tre casi si possono distinguere applicando una semplice idea fisica: la decelerazione dell'espansione è causata dall’attrazione gravitazionale dell'Universo. Solo una densità media di massa sufficientemente elevata potrà arrestare l'espansione portando la contrazione dell’universo; questa densità discriminante è detta densità critica: universi che presentano una densità minore sono quelli di tipo aperto, quelli con densità maggiore sono invece di tipo chiuso; nel primo caso le forze di autogravitazione della massa materiale complessiva non sono sufficienti ad arrestare l'espansione, nel secondo queste non solo l'arrestano ma addirittura invertono il verso del moto portando la contrazione. La determinazione della densità media dell’universo è apparentemente semplice se si pensa di calcolarla attraverso la massa totale delle varie galassie contenute in un certo volume di spazio cosmico divisa per tale volume considerato; ciò che appare strano è che il calcolo della media si aggira ad un valore di circa 50 volte inferiore rispetto a quello della densità critica, logica conseguenza di questo dato sarebbe la conclusione che l'universo è aperto, in uno stato di espansione senza ritorno. Altre teorie misero in dubbio tale ipotesi postulando che la massa delle galassie fosse soltanto una frazione di una massa complessiva compresa nell’universo: nasce la teoria della massa mancante.
Inflazione: una teoria ad hoc (DIVULGATIVO...)
Ognuno di noi, anche il più a digiuno di cosmologia, ha almeno una volta sentito parlare del Big-Bang, la grande esplosione in seguito alla quale da un unico punto ha avuto origine l’Universo. La teoria del Big-Bang è una delle poche, in cosmologia, suffragata da prove concrete. Ma alcuni dubbi restano, per la precisione alcuni paradossi, per risolvere i quali è stata “confezionata” la teoria dell'inflazione. Il primo paradosso è quello degli orizzonti. Per affrontarlo dobbiamo fare un passo indietro ed introdurre un concetto di tale importanza in cosmologia che è stato elevato a principio. E' il principio cosmologico, che afferma che l’Universo é, almeno su larga scala, omogeneo ed isotropo. Un Universo omogeneo ha densità di materia costante e uguale ovunque (su grandi scale!); un Universo isotropo è uguale in ogni punto, nel senso che in esso non vi sono direzioni e posizioni privilegiate. Secondo tale principio ci deve essere una correlazione fra le condizioni fisiche di regioni lontane e mai venute in contatto tra di loro: anche le più distanti sono tutte omogenee ed isotrope. Cos’è che le ha rese tali ? Il secondo paradosso è quello della piattezza: la densità dell’Universo è misurata dal parametro W, che ai giorni nostri ha un valore molto vicino ad 1. Questo valore corrisponde ad un Universo piatto, Una condizione limite fra l’eterna espansione (W<1) ed il definitivo collasso (W>1). Vediamo dunque cosa propone l'inflazione e come risolve i suddetti paradossi. L'idea che sta alla base della teoria è quella della rapidissima espansione, avvenuta all’inizio dell'Universo. Questo processo permette ad una piccola regione di crescere in maniera tale da inglobare una regione maggiore di quello che sarà poi l'Universo che noi osserviamo. Questo spiega il primo paradosso. Infatti due zone lontane e non comunicanti dell’Universo attuale, lo erano invece prima dell’inflazione, ed è a causa di essa che si sono allontanate; in passato però erano vicine, "casualmente connesse" come diciamo noi fisici. Inoltre come avrete già capito è l'inflazione che conferisce la metrica piatta, cioè W=1, assicurando sempre tramite la rapidissima espansione, omogeneità ed isotropia in regioni lontanissime tra loro. Occorre ora spiegare cosa ha causato questa espansione, che essendo come detto rapidissima, ha certamente avuto bisogno di un’enorme quantità di energia. L’idea peraltro affascinante è che l’energia necessaria sia associata al vuoto: nell’epoca lontana in cui è avvenuta l’inflazione l'energia del vuoto era addirittura predominante sull’intero contenuto energetico dell'Universo. L'estrazione dell’energia dalle regioni di vuoto si ottiene sfruttando un processo fisico, nel campo delle particelle elementari, chiamato transizione di fase. Questo tipo di meccanismo, molto complesso e poco conosciuto, prevede il passaggio da uno stato disordinato ad uno stato ordinato, ed è così importante nell’evoluzione dell'Universo che le prime fasi dell'evoluzione stessa vanno anche sotto il nome di era delle transizioni di fase. Un esempio di transizione di fase può essere costituito dalla separazione delle forze. Si pensa che ci siano nell’Universo delle regioni di falso vuoto; oggetti chiamati pareti stringhe e monopoli residui di magazzini di energia e materia sopravvissuti nel senso che non hanno ancora fatto la transizione di fase. Secondo alcune nuove teorie queste strutture misconosciute avrebbero una grande importanza perchè, piene di energia e materia costituirebbero i semi della nascita di nuove galassie. D'altro canto la stessa teoria dell'inflazione proporrebbe l’input giusto per la formazione delle galassie. Qual è dunque il suo difetto, visto che risolve tutti i problemi che ci siamo posti ? Forse sta proprio nel fatto che è troppo “giusta”, quasi fatta apposta: come dice F.Lucchin nella sua Introduzione alla cosmologia "[...]...ben lontano da avere un riscontro sperimentale diretto, il modello inflazionario è divenuto attualmente una sorta di paradigma necessario per risolvere molti e complessi problemi del modello cosmologico standard[...]".
Forse fra poco potremmo dire addio all’idea che l’universo sia nato dal big bang come singola palla di fuoco. Noi astrofisci, stiamo esplorando una nuova teoria basata sull'ipotesi, enunciata ormai 20 anni fa, che l'universo abbia attraversato uno stadio di inflazione. Durante questo stadio, afferma la teoria, il cosmo si ampliò esponenzialmente in una infinitesima frazione di secondo; dopo di che, l'universo continuò la propria evoluzione secondo il modello del big bang. Via via che gli studiosi hanno perfezionato lo scenario dell'inflazione, sono venute in luce alcune conseguenze sorprendenti, una delle quali rappresenta un cambiamento fondamentale nella visione del cosmo. Secondo le versioni più recenti della teoria inflazionaria, l’universo, anziché essere una palla di fuoco in espansione, sarebbe un immenso frattale che cresce continuamente: esso sarebbe costituito da molte sfere che si rigonfiano, le quali producono nuove sfere, che a loro volta ne generano altre, all’infinito.Questa concezione piuttosto bizzarra dell'universo non è nata arbitrariamente. Parecchi ricercatori, prima in Russia e poi negli Stati Uniti, proposero l'ipotesi inflazionaria che ne costituisce il fondamento allo scopo di risolvere alcune complicazioni create dalla vecchia teoria del big bang. Nella sua forma tradizionale, questa afferma che l'universo nacque circa 15 miliardi di anni fa da una singolarità cosmologica, ossia uno stato di temperatura e densità infinite. Come è ovvio queste grandezze non possono essere realmente descritte in termini fisici come infinite; di solito si postula che le attuali leggi fisiche non fossero applicate a quell'epoca. Esse cominciarono a valere solo dopo che la densità dell’universo fu scesa al di sotto della densità di Planck, che è pari a 1094 g/cc. Via via che l'universo si espandeva, cominciò gradualmente a raffreddarsi. Un residuo dell'esplosione primordiale esiste ancora oggi: è la radiazione di fondo a microonde, la quale indica che la temperatura dell'universo è scesa a 2,7 kelvin. La scoperta di questa radiazione si è rivelata la prova cruciale che ha dato alla teoria del big bang il suo attuale ruolo preminente in cosmologia. Questa teoria aveva anche il pregio di spiegare le abbondanze dell'idrogeno e degli altri elementi dell'universo. Molti dilemmi hanno costretto noi fisici a riflettere in maniera approfondita sugli assunti di base della teoria cosmologica standard, parecchi dei qualsiasi sono rivelati, a un più attento esame, decisamente precari.
Un universo che si autoriproduce in una simulazione al calcolatore è costituito da domini esponenzialmente ingranditi, ognuno dei quali (rappresentato da un diverso colore) ha leggi fisiche differenti. I picchi sono nuovi "big bang"; le loro altezze corrispondono alle densità di energia locale. Verso l’estremità dei picchi i colori fluttuano, indicando che le leggi fisiche non sono qui ancora definite. Esse risultano fissate solo nelle valli, una delle quali corrisponde al tipo di universo nel quale viviamo. La teoria inflazionaria non è sempre stata così semplice da un punto di vista concettuale, i tentativi di costruire una teoria dell'espansione esponenziale dell'universo hanno una lunga storia. Dopo varie realistiche versioni ed interpretazioni arriviamo alla parte più interessante della nostra storia, ossia alla teoria di un universo inflazionario eternamente esistente e in grado di autoriprodursi. E' una teoria assai generale, ma appare particolarmente promettente e conduce alle conseguenze più profonde nel contesto dello scenario dell'inflazione caotica. Si possono visualizzare come onde le fluttuazioni quantistiche del campo scalare in un universo inflazionario. Inizialmente queste onde si muovevano in tutte le direzioni possibili, per poi bloccarsi l'una sopra l'altra; ciascuna onda bloccata incrementava leggermente il campo scalare in alcune parti dell'universo e lo diminuiva in altre. Ora consideriamo quelle regioni dell’universo dove le onde che si bloccavano hanno costantemente aumentato il campo scalare. I rari domini dell'universo dove il campo riesce ad acquisire un valore abbastanza alto cominciano a espandersi esponenzialmente a velocità sempre crescente; più alto è il valore del campo scalare, più veloce è l’espansione. Ben presto questi rari domini raggiungono un volume molto superiore a quello di tutti gli altri. L'evoluzione di un campo scalare genera molti domini inflazionari, come rivela questa sequenza di immagini generate al calcolatore. In quasi tutte le regioni dell'universo il campo scalare diminuisce (ed è rappresentato da depressioni e valli); altrove le fluttuazioni provocano la crescita del campo. In queste regioni, rappresentate nell'elaborazione come picchi, l'universo si espande rapidamente. Noi ci collochiamo in una delle valli, dove lo spazio non è più inflazione. Da questa teoria segue che, se l'universo contiene almeno un dominio inflazionario di dimensioni sufficienti, allora esso comincerà a produrre incessantemente nuovi domini inflazionari. L'inflazione in ciascun dato punto può terminare rapidamente, ma a volte altre regioni continueranno a espandersi; il volume totale di tutti questi domini crescerà senza fine. Essenzialmente, da un universo inflazionario scaturiscono bolle inflazionarie, che a loro volta ne producono di nuove, e così via. Questo processo, chiamato inflazione eterna, continua come una reazione a catena, producendo una configurazione di universi simile ad un frattale. In questo scenario l'universo nel suo complesso è immortale; ciascuna specifica parte di esso può derivare da una singolarità manifestatasi nel passato e potrà terminare in una singolarità nel futuro, ma non vi è alcuna fine per l'evoluzione dell'intero universo. Che cosa sia avvenuto all'origine è incerto. Vi è la possibilità che tutte le parti dell'universo siano state generate simultaneamente in una singolarità iniziale, un big bang. Sebbene questo scenario renda l'esistenza del big bang quasi irrilevante agli effetti pratici, si può considerare il momento della formazione di ciascuna bolla inflazionaria come un nuovo "big bang". Da questa prospettiva l'inflazione non è una parte della teoria del big bang, come si pensava 20 anni fa; al contrario, è questo ad essere compreso all'interno del modello inflazionario. Un universo capace di autoriprodursi appare come una configurazione ramificata di bolle inflazionarie. I diversi colori rappresentano "mutazioni" nelle leggi fisiche rispetto agli universi genitori. Le proprietà dello spazio in ciascuna bolla non dipendono dall'epoca di formazione della bolla stessa. In questo senso l'universo potrebbe essere stazionario, anche se l'interno di ciascuna bolla è descritto dalla teoria del big bang. Questa nuova teoria cosmologica è estremamente insolita ed è comprensibile che sia difficile comprenderla. Una delle principali ragioni della popolarità del vecchio scenario del big bang è che immaginare l'universo come un palloncino che si espande in tutte le direzioni è relativamente semplice. E' molto più difficile afferrare alla struttura di un universo frattale che si autoriproduce all'infinito: le simulazioni al calcolatore possono essere di un certo aiuto. Studiosi hanno iniziato queste simulazioni con una fetta bidimensionale di universo riempita da un campo scalare quasi omogeneo e abbiamo calcolato in che modo il campo variava in ciascun punto del nostro dominio dopo l'inizio dell'inflazione. Poi hanno sommato a tale risultato onde sinusoidali, corrispondenti alle fluttuazioni quantistiche che si bloccano. Applicando ripetutamente questa procedura, hanno ottenuto una seria di valori che mostrano la distribuzione del campo scalare nell'universo inflazionario. Le immagini hanno rivelato che nella maggior parte dl dominio di partenza il campo scalare decresce lentamente: noi viviamo in una di queste regioni dell'universo. Piccole onde "congelate" sopra un campo quasi omogeneo finiscono per dare origine a perturbazioni di temperatura della radiazione di fondo. Altre parti dell'immagine mostrano montagne in crescita, corrispondenti alle enormi densità di energia che producono un'inflazione estremamente rapida. Si può interpretare ogni picco come un nuovo "big bang" che crea un universo "inflazionario". La natura frattale dell'universo è divenuta ancora più evidente quando i ricercatori hanno aggiunto un altro campo scalare. Per rendere le cose ancora più interessanti hanno preso in considerazione una teoria in cui l'energia potenziale di questo campo ha tre minimi differenti, rappresentati da altrettanti colori (vedi la figura). In una fetta bidimensionale dell'universo, i colori presso le vette delle montagne cambiano continuamente, a indicazione del fatto che il campo scalare sta rapidamente balzando da un minimo di energia a un altro. Qui le leggi fisiche non sono ancora stabilizzate; nelle valli, però, dove la velocità di espansione è bassa, i colori non fluttuano più. Il dominio in cui viviamo è uno di questi, altri domini sono estremamente lontani. Le proprietà delle particelle elementari e le leggi che regolano le loro interazioni variano nel passare da un dominio all'altro. Nel riflettere sul processo di autoriproduzione dell'universo, non si può fare a meno di trovare delle analogie, per quanto superficiali possano essere. Si può dire: non è forse ciò che accade a noi ? Qualche tempo fa siamo nati, prima o poi moriremo e l'intero mondo dei nostri pensieri, dei nostri sentimenti e dei nostri ricordi scomparirà. Ma ci sono stati altri esseri umani che sono vissuti prima di noi, ce ne saranno altri dopo di noi e l'umanità nel suo insieme potrà sopravvivere per molto tempo. L'evoluzione della teoria inflazionaria ha dato origine ad un paradigma cosmologico del tutto nuovo, che differisce considerevolmente dalla vecchia teoria del big bang e anche dalle prime versioni del modello inflazionario. In esso l'universo appare caotico ed omogeneo, in espansione e stazionario. La nostra dimora cosmica cresce, fluttua e si riproduce eternamente in tutte le forme possibili, come se tendesse ad adattarsi a tutti i possibili tipi di vita.
L'evoluzione di un campo scalare genera molti domini inflazionari, come rivela questa sequenza di immagini generate al calcolatore. In quasi tutte le regioni dell’universo il campo scalare diminuisce (ed è rappresentato da depressioni e valli); altrove le fluttuazioni provocano la crescita del campo. In queste regioni, rappresentate nell'elaborazione come picchi, l’universo si espande rapidamente. Noi ci collochiamo in una delle valli, dove lo spazio non è più inflazione. Da questa teoria segue che, se l’universo contiene almeno un dominio inflazionario di dimensioni sufficienti, allora esso comincerà a produrre incessantemente nuovi domini inflazionari. L'inflazione in ciascun dato punto può terminare rapidamente, ma a volte altre regioni continueranno a espandersi; il volume totale di tutti questi domini crescerà senza fine. Essenzialmente, da un universo inflazionario scaturiscono bolle inflazionarie, che a loro volta ne producono di nuove, e così via.Questo processo, chiamato inflazione eterna, continua come una reazione a catena, producendo una configurazione di universi simile ad un frattale.
Ilya
Prigogine
Il tempo: un vuoto instabile
Il modello che, coi miei colleghi, abbiamo sviluppato è un modello in cui lo spazio- tempo è il vuoto. In cui lo spazio-tempo è un vuoto instabile. Se accettiamo il modello del vuoto instabile, a un certo punto il prezzo per ottenere il mondo fisico così come noi lo vediamo può essere pagato: il vuoto instabile subisce una transizione di fase. Il prezzo per ottenere l’universo è una transizione di fase irreversibile. Il pagamento non avviene quindi in termini di energia, ma in termini di entropia. L’universo sarebbe nato con la trasformazione del tempo virtuale in tempo attuale. Con un’esplosione di entropia su vasta scala. Come vede, noi vorremmo rispondere fin dall’inizio dell’universo alla domanda su cosa sia reversibile e cosa sia irreversibile. No, l’universo è irreversibile. Naturalmente alcuni piccoli fenomeni limitati possono essere descritti mediante processi reversibili. Ma essi sono come percezioni, esse sono come piccole sacche. La nascita dell’universo corrisponde a un processo irreversibile. Corrisponde a una sorta di distruzione della continuità dello spazio-tempo, del vuoto. E alla rottura di questo continuum in piccoli frammenti dotati di un contenuto entropico: le particelle elementari. E così via, con altre transizioni di fase, con altri processi irreversibili. (Prigogine afferma altrove che un nuovo universo può nascere in qualsiasi momento da una fluttuazione del vuoto instabile, n.d.t.). Tenga presente che in questi processi irreversibili si possono creare entrambe le strutture, ordine e disordine, in accordo con quanto ho detto qualche minuto fa. Questo che noi proponiamo è un genere di cosmologia che mette in risalto i processi irreversibili. Perché è troppo semplice dire che l’universo è una fluttuazione del vuoto, o che è un free-lunch, un pranzo gratuito (intendo che la nascita dell’universo avverrebbe, secondo alcune teorie, senza dispendio di energia, n.d.t.). In qualche modo l’energia deve essere conservata. E l’elemento nuovo (che consente di rispettare il principio di conservazione dell’energia, n.d.t.) è l’entropia. Noi abbiamo dimostrato che vi può essere un meccanismo molto semplice per spiegare tutto ciò. Io non so quanto possa addentrarmi nella sua descrizione in pochi minuti, ma in sostanza l’idea è questa. Il meccanismo da noi proposto rinuncia al vuoto quantico. La soluzione del problema cosmologico non è in esso. Anche il vuoto quantico ormai deve tenere in conto alcune costanti dell’universo: la costante di Planck, la velocità della luce, la costante gravitazionale. Inoltre anche il tempo è una fluttuazione, come è previsto nella relazione di Heisenberg. Quindi, nel vuoto instabile si possono avere fluttuazioni in cui la materia si concentra in piccole regioni. In casi eccezionali, quando molta materia si concentra in regioni molto piccole, possono originarsi buchi neri. Se i buchi neri possono nascere, in accordo con Hawking, la radiazione si può decomporre in materia ordinaria. In definitiva la nostra idea è che lo spazio-tempo diventa realmente materia attraverso la formazione intermedia di buchi neri. Ma, naturalmente, la stabilità non è eterna. E, così come si è verificata una volta originando il nostro attuale universo, una qualche fluttuazione di questo tipo potrebbe di nuovo verificarsi in un qualsiasi momento del futuro. Così noi giungiamo, o forse ritorniamo, a questo aspetto: a un modo completamente nuovo di vedere la relazione tra il tempo e l’eternità. In un certo senso tutto il nostro universo è tempo, è irreversibilità. Però il tempo emerge da una realtà eterna che è il vuoto.
Ilya Prigogine (1917-2003)
Prigogine was awarded the 1977 Nobel Prize in Chemistry for "his contributions to nonequilibrium thermodynamics, particularly the theory of dissipative structures". What does this mean ? The second law of thermodynamics states that an isolated system eventually runs down to a time-independent equilibrium state; as this happens, the system's entropy increases. Nonequilibrium thermodynamics allows the entropy increase to be calculated in terms of the rates of various irreversible processes, such as the input of energy from an external source. Prigogine's most remarkable contributions came from studies of irreversible processes far from equilibrium. For example, when a fluid is heated from below it becomes unstable; the warm liquid becomes less dense and rises. But at a certain critical value of the temperature difference between the bottom and top liquids a remarkable thing happens; the system spontaneously forms a regular hexagonal array of convection cells, with liquid in each circulating from bottom to top and back. Prigogine named these ordered nonequilibrium stationary states "dissipative structures". This research has profound consequences for biological systems where the formation of individual organisms and species can be considered examples of dissipative structures. Though born in Moscow, Prigogine has lived most of his life in Brussels, Belgium where, since 1947 he has been Professor in the Université Libre de Bruxelles. In 1967 he founded the Center for Studies in Statistical Mechanics at the University of Texas, Austin, and has since divided his time equally between Brussels and Austin. His list of honors and awards covers more than three single-spaced pages. Concerned with the broader philosophical issues raised by his work, Prigogine wrote "Order Out of Chaos"; in this book he explains his scientific discoveries in nontechnical language and places them in a historical context.
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