La ricetta per creare un universo

Prendiamo una manciata di nulla, innaffiamo con la legge di conservazione, mescoliamo fino a quando vediamo una fluttuazione quantistica; a questo punto velocemente (entro un tempo di Planck) separiamo materia ed antimateria prima che si annichiliscano completamente.

Se avete fatto tutto correttamente dovreste avere una zuppa di quark molto calda; fate raffreddare fino a quando non vedete combinarsi i quark in protoni e neutroni, mentre preparatevi ad indossare gli occhiali perché a breve viene liberata la radiazione elettromagnetica (lasciate pure che evapori lasciando l'impronta della radiazione di fondo).

Montate a frusta (simulando l'effetto gravitazionale) le nubi di gas leggeri che si creano in modo che si addensino fino a raggrumarsi in piccole polpette incandescenti (dette stelle): attendete ancora e noterete che raffreddandosi le polpette tenderanno ad esplodere rilasciando una serie di nuovi aromi molto pesanti (es. metalli) dando origine ad altre nubi. Continuate lo stesso processo fino ad ottenere degli ammassi di stelle non troppo grandi e più stabili.

Ora non vi resta che condire il tutto con qualche cometa carica di acqua e aminoacidi ed attendere che la vita spunti qua e la, prima di servire a temperatura ambiente. 

Livello di difficoltà: elevata

Tempo di preparazione: 14 miliardi di anni

Ingredienti: il nulla e qualche legge fisica

La notte nera forse sarà meno scura

Classica domanda da bambino curioso: perché il cielo di notte è nero?

Un adulto risponderebbe senza dubbi che il motivo è la mancanza del Sole, che di giorno rischiara il cielo ma che di notte si nasconde dietro alla Terra facendo apparire tutto buio e scuro.

Certamente la luce solare è la ragione delle giornate luminose e calde ma il motivo per cui di giorno il cielo non è nero è che l'atmosfera che circonda la terra diffonde la luce facendo apparire il cielo azzurro; sulla Luna, per esempio, il cielo appare nero anche con il Sole sopra l'orizzonte. 

Quindi lo spazio è sempre nero nonostante sulla Terra a volte non ci appaia così. E perché dovrebbe stupirci la cosa? Lo spazio è pieno di stelle, si ipotizza 300.000 miliardi di miliardi, ed in un universo infinito ed eterno, la luce proveniente da questa pletora di soli incandescenti, qualunque direzione si scelga, sarebbe già giunta a rischiarare un pezzettino di cielo. Moltiplichiamo anche una flebile luce per il numero si stelle e capiamo che il cielo dovrebbe essere luminoso, giorno e notte.

Di conseguenza il fatto che il cielo di notte sia nero significa innanzi tutto che l'universo non è infinito ma che ha un limite, non un bordo spaziale, ma uno temporale, a circa 13,7 miliardi di anni. Dato che la luce viaggia attraverso l'universo, ed il viaggio dura parecchio, quando puntiamo il telescopio nel cielo, stiamo in realtà osservando indietro nel tempo. Quindi quando osserviamo la luce vecchia di 13,5 miliardi di anni, non è che non vediamo le stelle solo perché la loro luce non ci ha ancora raggiunti - non vediamo nessuna stella perché stiamo guardando l'universo nel periodo precedente alla formazione di qualsiasi stella.

In realtà i potenti telescopi quando puntato lo spazio profondo non vedono completamente nero, infatti è rilevabile una "luce" di fondo che ci arriva dagli attimi successivi al big bang.  E si rileva che questa “radiazione cosmica di fondo” arriva più o meno uniformemente da tutte le direzioni, creando un fondo oltre le stelle. Ma se i telescopi ci dicono che il cielo di notte non è nero, allora perché a noi appare nero? Le stelle e le galassie si stanno allontanando da noi perché l'universo è in espansione, quindi anche la luce del big bang si allontana velocemente, e come la sirena di un ambulanza cambia tono allontanandosi, per l'effetto doppler, la luce che si allontanano da noi diventa più rossa, e più velocemente si allontana e più rossa diventa, fino a diventare infrarossa e quindi invisibile ai nostri occhi.

Forse ora la notte vi apparirà meno buia.

FONTE: minutephysics

Una polaroid del big bang

E' comparsa come trafiletto su tutti i giornali ma si candida ad essere la scoperta scientifica dell'anno, e forse in ambito cosmologico anche del decennio: sono state osservate da un telescopio al polo sud, appositamente progettato, le prove che ci sia stata effettivamente l'inflazione al principio della storia dell'universo. 

Spiegata così sembrerebbe in effetti una scoperta tecnicissima, alle quali è difficile esultare o battere il cinque al nostro vicino sul bus, ma se accompagnato ad un concetto apparentemente complesso ci fosse uno sforzo nel trovare un immagine accattivante e più digeribile, forse quello scatto di entusiasmo potremmo averlo anche noi cosmo-ignoranti. Quindi partiamo alla ricerca di questa rappresentazione esaltante della notizia noiosa.

Fino dagli anni sessanta è stata rilevata la radiazione cosmica di fondo, un segnale debolissimo che ci giunge dalla spazio da ogni direzione, in qualsiasi punto rivolgiamo un radiotelescopio, e non è servito molto tempo per capire che quei fotoni (la luce e le onde radio sono semplicemente composte dalle stesse particelle) giungevano a noi direttamente dal big bang, o meglio da qualche istante successivo (questa si che sembrò essere una notizia spettacolare). 

Possiamo vedere una istantanea dei primi vagiti dell'universo, anche se preferirei dire che la radiazione cosmica di fondo assomiglia di più ad un parto, all'istante della nascita vera e propria (mentre il big bang è più simile al concepimento); eppure lo sanno tutti che l'universo è nato circa 13,7 miliardi di anni fa con il grande botto! Bene, probabilmente è avvenuto proprio questo, ma l'immagine della radiazione è una foto di come in un certo istante, la radiazione e l'energia si siano separate dalla materia, dando finalmente origine a tutto ciò che osserviamo nella forma attuale. Nella pratica, circa 400.000 anni dopo il big bang (il tempo di gestazione), mentre era in processo un lento raffreddamento, i fotoni sono riusciti a liberarsi dalla gabbia di plasma ed hanno iniziato a vagare liberi per lo spazio in espansione. 

Proprio questo spazio però ha avuto origine in un altro momento distinto e la sua formazione deve essere stata qualcosa di veramente particolare: osservando le variazioni di densità della bolla primordiale (una sorta di palla di lava minuscola e densissima scaturita appunto dal big bang), i teorici svilupparono il modello inflazionistico, che io ribattezzo in italiano della superespansione: infatti era impossibile spiegare come da una palla minuscola e quantisticamente ribollente si potesse arrivare, dopo miliardi di anni di allargamento continuo e costante, all'universo attuale che invece ci appare omogeneo e piatto in tutte le direzioni. 

Quindi partendo dalle due foto a disposizione, quella del cosmo omogeneo osservabile attualmente e quella estrapolata dalla radiazione di fondo dell'universo neonato, instabile e disomogeneo, gli scienziati hanno partorito la teoria inflazionistica o della superespansione, l'unico modo attualmente trovato per spiegare un cambiamento così radicale dalla prima situazione alla odierna, teorizzando una espansione improvvisa dello spazio, ad una velocità superiore a quella della luce (tanto lo spazio non è ne materia ne energia e non deve sottostare ai limiti della relatività). Una espansione inimmaginabile tanto che la definirei la nascita dello spazio vero e proprio, da una capocchia di spillo ad un miliardo di chilometri, in un tempo infinitesimale (un miliardesimo di secondo).

I modelli matematici ci dicono che i conti tornano molto bene e che prevedono anche altri fenomeni come la formazione di onde gravitazionali durante la superespansione dello spazio; queste onde che incresparono il tessuto spazio temporale, proprio come quando scuotiamo una tovaglia per ripulirla, impressero ai fotoni della radiazione primordiale delle particolari direzioni di propagazione, delle polarizzazioni, come se le briciole sulla precedente tovaglia volassero via in particolari direzioni  in base alla forza con la quale la scuotiamo. In realtà ai fotoni in fuga venne impressa una particolare polarizzazione, proprio come quando una lente polaroid filtra la luce facendo passare solo i fotoni che appartengono allo stesso piano di propagazione.

Ed arriviamo  alla notiziona: se il modello teorico predice tutte questi fenomeni, quelli osservati e quelli no, possiamo andare alla ricerca di questi ultimi per avere ulteriore conferma della teoria!

Quindi si è costruito appositamente un osservatorio al polo sud, il BICEP2, per misurare alcune caratteristiche dei fotoni della radiazione di fondo predette dalla teoria della superespansione e neanche a crederci i dati sulla polarizzazione dei fotoni sono perfettamente coerenti con le predizioni.

Un'altra polaroid della storia del nostro universo ed un altro grosso applauso agli scienziati paparazzi. 

La storia dell'Universo in 3 minuti

Nulla, nulla, nulla, niente, nulla, nulla, fluttuazione quantistica, materia e antimateria annichiliscono, nulla di fatto, nulla, nulla, niente, nulla, nulla, nulla, nulla, fluttuazione quantistica, materia e antimateria si separano, BIG BANG! L'orologio comincia a camminare...
(10^-10 sec = 0,0000000001 secondi!!!)

(10^-43 secondi) Tanta energia (in realtà tutta la materia e l'energia dell'Universo), no spazio, tantissimo caldo (miliardi di miliardi di miliardi di gradi)

(10^-35 secondi) Troppo allo stretto con sto caldo, improvvisa creazione dello spazio, tanto caldo (milioni di miliardi di miliardi di gradi)

(10^-32 secondi) Finalmente si sta al largo (un miliardo di chilometri), appaiono le forze in modo separato (nucleare,gravità) , meno caldo (milioni di miliardi di gradi)



(10^-6 secondi) Finalmente si sta al fresco (miliardi di gradi), i quark possono interagire per creare gli adroni (i mattoncini della materia), l'espansione dello spazio continua (100 miliardi di Km)

(100 secondi) Ora c'è spazio per tutti (1000 miliardi di Km), i mattoncini possono interagire per creare la materia come la vediamo oggi (elio), sempre più freddo (1 miliardo di gradi)

(3 minuti dal BIG BANG) Dalla accecante luce di plasma iniziale ora tutto sembra più opaco anche se la temperatura media è di 100 milioni di gradi, si creano i primi atomi di idrogeno

(300 000 anni) Ormai si è innescato il processo di creazione di atomi mentre la luce nata dalla improvvisa espansione continua a vagare nello spazio lasciando una radiazione di fondo

(200 milioni di anni) Nascono le Megastelle

(500 milioni di anni) Nasce la stella più antica che l'uomo sia riuscito ad osservare HE 1523-0901

(1 miliardo di anni) Nascono probabilmente le prime galassie

(3,7 miliardi di anni) Nasce la Via Lattea, la nostra galassia

(8,5 miliardi di anni) Si forma il nostro sistema solare

(9 miliardi di anni) Prende forma il nostro pianeta Terra

(10,5 miliardi di anni) Prime forme di vita compaiono sulla Terra

(13,699998 miliardi di anni) Compaiono i primi ominidi

(13,7 miliardi di anni) Ora attuale al meridiano di Greenwich


Fonte: http://it.wikipedia.org/wiki/Storia_dell'universo

A qualcuno piace tiepido

La ragione spesso sta nel mezzo ma non solo: spesso nel mezzo c'è anche la possibilità di creazione, di vita, di intelligenza. E noi alberghiamo proprio li, nella via intermedia tra il gelo siderale dello spazio vuoto e le sorgenti di reazioni nucleari che sprigionano energie a milioni di gradi, energie ancora figlie del big bang e delle sue conseguenze. 

Quindi, quando dico nel "mezzo", intendo a metà non solo in senso di distanze astronomiche ma anche considerando il tempo, proprio quello che è trascorso dalla creazione iniziale a quello che ci separa probabilmente dal graduale raffreddamento dell'Universo.

In pratica abbiamo fatto bingo due volte, perché la nostra esistenza dipende fondamentalmente dal fatto che ci troviamo in un posto ed in un periodo tiepido rispetto a tutto ciò che ci circonda, rispetto a ciò che è stato e che sarà: è pur vero che se così non fosse noi umani non saremmo qui a gloriarci di tanta fortuna, ma è anche interessante riflettere su come la nostra intelligenza ci abbia permesso di comprendere quanto sia speciale il luogo ed il tempo che viviamo.

Godiamoci quindi ancor di più questo tepore spazio-temporale alla faccia della crisi e di qualche extraterrestre meno fortunato.

Che rottura... di simmetria

Uno dei motivi che spinge i ricercatori a trovare dei principi unificanti delle leggi fisiche è la convinzione che il modello del Big Bang sia corretto e che quindi se il "tutto" è scaturito da un unica fonte, in qualche modo prima della genesi, quello che ci circonda era una unica cosa.
Visto che i fenomeni che si manifestano nell'universo sembrano tanto dissimili gli uni dagli altri si potrebbe immaginare che la natura sia così complessa che ogni sua caratteristica dipenda da leggi fisiche eterogenee e slegate tra loro, proprio così come la realtà dei fenomeni si manifesta ai nostri sensi:

sono serviti secoli di studi per capire che la luce era della stessa sostanza di altre onde e che anche i fenomeni elettrici rappresentavano un'altra espressione della natura magnetica, e se l'unificazione nell'elettromagnetismo è stato il primo grande successo in questo senso, i fisici non hanno più smesso di cercare la teoria unica in grado si descrivere l'intero creato.

Dopo tanto scrutare nelle pieghe delle manifestazioni fisiche si è giunti alla conclusione che tutta la natura si manifesta attraverso quattro forze fondamentali, necessarie e probabilmente esaustive di tutto ciò che ci circonda, dai fenomeni subnucleari ai meccanismi galattici:

- la forza elettromagnetica (luce, onde radio, infrarosso, ultravioletto, etc.)

- la forza nucleare debole (decadimento radioattivo)

- la forza nucleare forte (che permette ai nuclei atomici di esistere così come li conosciamo)

- la gravità (la forza che tiene noi sulla terra, la terra intorno al sole, il sole nella via lattea, etc)

In realtà, siccome anche questi fenomeni hanno delle sottili somiglianze, si è pensato che le varie forze potessero essere più facce di una stessa medaglia: i tentativi di unificazione si sono moltiplicati quindi nello scorso secolo fino ad appurare che la forza elettromagnetica e quella nucleare debole in certe condizioni  sono la stessa cosa, dando origine alla forza elettro-debole, ed a teorizzare che in condizioni ancora più estreme anche la forza nucleare forte dovrebbe unificarsi alle precedenti.

Quindi lo scenario primordiale (inteso come i primi attimi dopo il Big Bang) fu quello di un plasma super omogeneo in cui un unica forza governò, anche se per pochi istanti, la fisica di quel sistema primitivo e semplificato: frazioni di secondo ed il plasma iniziò a raffreddarsi dando origine alle diverse forme della materia e delle forze che conosciamo, in una continua rottura della simmetria iniziale; per immaginarci questo processo si possono portare alcuni esempi il più semplice dei quali riguarda gli stati dell'acqua alle varie temperature.

Allo stato di vapore le molecole gassose si dispongono in modo molto omogeneo (pensate all'aria che ci circonda) ed osservandole, ad esempio, attraverso un cubo trasparente che le contiene, sarà impossibile definire delle differenze da qualsiasi faccia del cubo si osservi il vapore acqueo, ed ogni faccia ci sembrerà identica alle altre; appena si abbassa la temperatura ed il vapore comincia a condensare noteremo che sulle facce del cubo si formeranno figure diverse e da ogni angolazione il cubo ci apparirà con nuove formazioni di gocce. Una volta condensato tutto il vapore, il cubo (supponiamo che sia completamente colmo d'acqua) ci apparirà nuovamente omogeneo anche se le molecole d'acqua disponendosi secondo certi schemi saranno sicuramente meno omogenee di quelle gassose e qualche piccola differenza sarà percettibile guardando l'interno del cubo attraverso le diverse angolazioni. Superando l'ultimo processo di raffreddamento l'acqua inizierà a ghiacciare formando cristalli complessi e con zone di grande disomogeneità in modo tale che ad ogni sguardo delle diverse facce del cubo ci sembrerà di vedere un contenuto diverso, sei diversi caleidoscopi di ghiaccio uno diverso dall'altro.

In pratica attraverso il processo di raffreddamento si è rotta più volte la simmetria iniziale che ci faceva apparire tutte le facce trasparenti del cubo identiche (così come tutte le forze sembravano una, subito dopo il Big Bang) e mano a mano che le condizioni di temperatura cambiavano, l'osservazione delle singole facce del cubo ci dava la sensazione di scrutare in una finestra affacciata ad una realtà diversa (anche se simile), così come allo stato attuale dell'evoluzione del nostro universo le varie forze ci sembrano così differenti l'una dall'altra.
Rimangono come al solito i grandi quesiti insoluti: perché si è rotta la simmetria? Perché la natura dovrebbe prediligere una faccia del cubo rispetto alle altre? E l'universo espandendosi potrebbe avere incontrato una sorta di campo preesistente sul quale condensare?

Il Big Bang ha detto....... Start!

Con quale grado di sicurezza possiamo oggi far coincidere l'inizio di tutto con la teoria del Big Bang? Il cosiddetto modello cosmologico standard si basa effettivamente su dati concreti ed oggettivi? Sono domande che nascono spontanee a chi si avvicina per la prima volta alle scienze astronomiche e sente discutere delle teorie inerenti all'istante in cui sarebbe nato l'universo, inteso come l'insieme dello spazio e del tempo in cui noi viviamo, orbitano i pianeti, le galassie si formano, etc  etc.

Se partiamo dal principio, non dell'universo ma della storia della teoria, possiamo tornare agli anni in cui Einstein, dopo aver formulato la relatività generale ed averla vista confermare dalle osservazioni astronomiche, godeva di grande fama con la conseguenza che scienziati di tutto il mondo iniziarono ad utilizzare le sue formule per calcolare eventuali conseguenze della teoria ancora ignote (anche ad Einstein stesso); uno di questi fu Alexander Friedmann, matematico russo, che derivando le equazioni di  Einstein rilevò che l'universo doveva essere in espansione, in contrasto con ciò che si era creduto fino ad allora e che lo stesso Einstein si era rifiutato di evincere dalla propria teoria.

La prima prova sperimentale fu portata da Hubble nel 1929, che mostrò che le galassie intorno alla nostra si stavano allontanando, dando nuovo interesse ai calcoli di Friedmann, ma fu Lemaìtre, qualche anno dopo, che arrivò alla conclusione che, andando a ritroso nel tempo, l'attuale espansione si sarebbe trasformata nella graduale contrazione fino ad un unico singolo punto in cui tutta la materia dell'universo sarebbe stata compressa (nucleosintesi).

La seconda prova, molto interessante perché pronosticata, è quella dell'osservazione della radiazione cosmica di fondo; George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman già nel 1948 predissero la misurazione di una emissione di temperatura nel fondo del cielo che fu effettivamente e casualmente rilevata dai radiostrumenti di Penzias e Wilson nel 1965. In pratica si misura una quasi omogenea temperatura del fondo cosmico che proverebbe il fatto che tutto ciò che vediamo sia stato per un certo tempo a stretto contatto nelle prime evoluzioni dopo il Big Bang: curioso che fino a qualche tempo fa le televisioni analogiche, se sintonizzate su frequenze libere da emittenti, visualizzassero nell'immagine scostante e granulosa di disturbo anche il segnale di tale radiazione cosmica.

La terza prova sarebbe l'abbondanza di Elio-4 (circa il 25%) e la presenza nell'universo di elementi chimici in determinate percentuali: infatti grazie al modello della nucleosintesi primordiale è possibile  calcolare il processo di formazione degli elementi nei primi istanti dopo il Big Bang e siccome alcuni di essi, come ad esempio l'elio-4, sono molto stabili e difficilmente si combinano con altri elementi, allora se l'abbondanza che ne misuriamo oggi è simile a quella prevista dal modello, possiamo altresì pensare che non si tratti di coincidenza; se poi moltiplichiamo la prova per altri elementi ed isotopi come il litio-7, tutto ciò diventa più che un indizio.

Possiamo concludere dicendo che comunque esistono teorie alternative a quella del Big Bang ma che nessuna ha alle spalle una così forte pletora di prove ed indizi, e che se pur portando rispetto alle varie credenze religiose, consiglierei vivamente le autorità varie, guru e santoni, vescovi e  rabbini, imam e cohen, di integrare presto nel loro modello religioso quello del Big Bang, tanto possono ancora sbizzarrirsi su ciò che è accaduto prima.