E parliamo di questo Big Bang

9 Apr

Dal momento che, in questo post:

Il primo vagito dell’universo

e in molti altri ancora, abbiamo parlato di nascita ed evoluzione del nostro universo, credo sia giunto il momento di dedicare un articolo apposito su questi concetti. Premetto, che cerchero’ di matenere un profilo piu’ semplice e divulgativo possibile, anche se ci stiamo addentrando in teorie, e spesso anche supposizioni, fisiche non del tutto banali. In questo senso, cerchero’ il piu’ possibile di utilizzare esempi anche volutamente forzati proprio per rendere il tutto maggiormente accessibile a tutti.

Partiamo dalle basi. Allo stato attuale della nostra conoscenza, la teoria maggiormente accettata all’orgine dell’universo e’ quella per cui il tutto si sarebbe formato da un’esplosione iniziale chiamata appunto Big Bang. Come visto nell’articolo precedentemente riportato, non dobbiamo immaginare questo evento come un classico boato, da cui tutti si sarebbe formato, bensi’ come un processo di espansione, anche non costante e molto veloce in alcuni istanti, ma che dura tutt’ora.

Perche’ e’ avvenuto il Big Bang?

Immaginiamo di fissare una scala temporale all’istante iniziale, cioe’ nel momento stesso in cui e’ iniziato il Big Bang. Per dirlo con parole semplici, immaginate di avere un cronometro e di farlo partire nel mometo in cui inizia questa espansione. Secondo la teoria, prima che iniziasse il big bang, materia e antimateria convivevano insieme in una singolarita’, cioe’ costituivano un volume, al limite occupante un punto, estremamemente denso e a temperatura elevatissima. Nella concezione fisica, in questa fase non esistevano le particelle, il tempo e le forze.

Poi cosa e’ successo?

Quando il sistema e’ divenuto instabile, dopo un tempo pari a 10^(-43) secondi, e’ avvenuta quella che si chiama la prima transizione di fase. Cosa significa? Le particelle si sono formate da questo plasma iniziale e ognuna di loro aveva un’energia molto elevata detta “energia di Planck”. In questa fase, detta di Grande Unificazione, tutte le forze, compresa quella gravitazionale, erano unificate, cioe’ si manifestavano come un’unica interazione.

Bene, fermiamoci un attimo e cerchiamo di capire meglio. Al punto in cui siamo arrivati, il big bang e’ gia iniziato. Le particelle cosi’ come le forze, anche se ancora unificate, si sono formate. Riprendiamo dall’inizio. Al tempo iniziale, cioe’ prima che iniziasse l’espansione, materia e antimateria convivano insieme. Dopo un tempo brevissimo, quando si formano le particelle, dopo 10^(-43) secondi, ci sono ancora materia e antimateria, appena 10^(-6) secondi dopo l’inizio, rimane solo materia.

Dove e’ finita l’antimateria?

Per chi lo avesse perso, abbiamo parlato in dettaglio di antimateria in questo post:

Due parole sull’antimateria

Il nostro attuale universo e’ formato solo da materia. L’antimateria e’ scomparsa. Perche’? Affiche’ questo sia possibile, e dunque sia iniziato il big bang, la fisica ci dice che devono essere state verificate le 3 condizioni di Sakharov. Senza entrare troppo nel dettaglio, in questa ipotesi, ci deve essere stata un’asimmetria tra materia e antimateria, che ha portato allo squilibrio che vediamo oggi. In particolare, in questo contesto si parla appunto di violazione di CP, cioe’ proprio di squilibrio della simmetria materia-antimateria nell’universo.

E’ possibile che siano rimaste delle sacche di antimateria da qualche parte oppure che l’universo sia formato da due distinte zone, una di materia ed una di antimateria?

La risposta e’ no. Capiamo il perche’. Quando entrano in contatto, materia e antimateria si annichilano, cioe’ ineragiscono distruggendosi a vicenda, e producendo radiazione gamma, cioe’, in linea di principio forzando l’esempio, luce. Se esistessero zone ben delimitate di materia e antimateria, nel punto di separazione tra di esse, si avrebbe annichilazione con la conseguente produzione di raggi gamma. Di questa radiazione non vi e’ nessuna evidenza ne’ dagli osservatori a Terra, ne’ dai satelliti, ne’ tantomeno dalle missioni esplorative che abbiamo mandato nello spazio.

Le condizioni di Sakharov offrono dunque un modello teorico in grado di spiegare perche’ potrebbe essere avvenuto questo squilibrio e quindi sia iniziato il big bang. Dico “potrebbe” perche’ al momento non tutte le condizioni sono state verificate e grande aiuto in questo senso dovrebbe venire dallo studio della fisica delle particelle agli acceleratori. Aprendo una piccola parentesi, quando in un acceleratore facciamo scontrare due fasci, questi interagiscono tra loro ad altissima energia. Man mano che aumentiamo l’energia, utilizzando sistemi sempre piu’ potenti, e’ come se andassimo indietro nel tempo tendendo verso il big bang. Ovviamente le energie oggi disponibili sono ancora molto lontane da quella iniziale, ma questo genere di studi ci consentono di comprendere molte cose importanti sul mondo delle particelle elementari.

Dunque, ricapitolando, abbiamo un sistema iniziale materia-antimateria, intervengono le condizioni di Sakharov e il sistema inizia ad espandersi facendo scomparire l’antimateria. Inizialmente le forze erano tutte unificate e le particelle si scontravano tra loro ad altissima energia.

Dopo, cosa e’ successo?

Man mano che il tempo scorreva, si passo’ attraverso varie fasi, ognuna caratterizzata da una rottura di simmetria di qualche tipo. In tal senso, le forza si divisero tra loro, lasciando quelle che oggi indichiamo come forze fondamentali: forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale. In particolare, quest’ultima fu la prima a separarsi non appena la temperatura inizio’ a scendere e le onde gravitazionali poterono propagarsi liberamente.

Qualche minuto dopo l’istante iniziale, le particelle, cioe’ protoni e neutroni, poterono iniziare a combianrsi formando nuclei di Deuterio ed Elio. Questa importante fase viene chiamata “nucleosintesi”.

La temperatura dell’universo era pero’ ancora troppo elevata. Per osservare la formazione dei primi atomi, si dovette aspettare ancora circa 379000 anni, quando materia e radiazione finalmente si separarono e quest’ultima pote’ viaggiare libera nel cosmo. Di questo preciso istante, abbiamo anche parlato in questo post:

Universo: foto da piccolo

in cui, come visto, si ebbe la formazione della radiazione di fondo che oggi, alla temperatura attuale, e’ di 2.7K con uno spettro nelle microonde.

Dopo questa fase, gli addensamenti di materia cominciarono ad attrarsi gravitazionalmente, formando poi le galassie, le stelle, i pianeti, ecc, cioe’ , quello che vediamo oggi osservando l’universo.

Ma esistono delle prove di tutto questo? E se in realta’ il big bang non fosse mai avvenuto?

Come visto in altri post, ma anche come comprensibile da quanto detto, proprio la radiazione di fondo costituisce una prova del big bang. Detto in altri termini, la CMB non sarebbe altro che un’eco di quanto avvenuto, cioe’ un reperto fossile dell’esplosione iniziale.

Inoltre, la velocita’ di espansione delle Galassie, misurata per la prima volta da Hubble, costituisce un’altra prova a sostegno di questa teoria.

Partendo da quest’ultimo concetto, una domanda lecita che chiunque potrebbe farsi e’: “dove e’ avvenuto il Big Bang?”

Modello dell'espansione dal Big Bang

Modello dell’espansione dal Big Bang

In tal senso, se inizialmente si aveva un punto da cui poi tutto si e’ espanso, immaginando un rewind dovremmo essere in grado di identificare il punto iniziale del big bang. In realta’, non e’ cosi’. I fisici sono soliti dire che il Big Bang e’ avvenuto ovunque o anche che ogni punto dell’universo e’ un centro di espansione.

Che significa?

L’espansione dello spazio tempo avviene in piu’ di tre dimesioni, per cui non e’ facile immaginare a mente cosa sia avvenuto. Per capire questo concetto, immaginate l’universo come un palloncino inizialmente sgonfio. Ora, prendendo un pennarello, fate dei puntini sulla superificie. Se le pareti del palloncino sono l’universo che si espande, mentre gonfiate il palloncino, ciascun punto, tra quelli che avete disegnato, vedra’ gli altri allontarsi da lui. In questo contesto, ciascun punto e’ centro dell’espansione, cioe’ ogni punto vede gli altri punti allontarsi da lui in tutte le direzioni. L’animazione riportata potra’ aiutarvi a capire meglio questo discorso. Fissando un punto, tutti gli altri si allontanano da questo, indipendentemente da quello che scegliete come vostro centro. Dunque, se osservate l’universo dalla Terra, vedrete tutti gli altri corpi allontarsi da noi, come se la Terra fosse il centro dell’espansione.

Concludendo, esistono diverse prove sperimentali a sostegno del Big Bang, cioe’ di questa esplosione iniziale da cui, partendo da uno stato di equilibrio materia-antimateria, tutto si e’ formato passando attraverso diverse rotture di simmetrie. Ad oggi, o forse mai, nessuno potra’ spiegare perche’ questa materia e antimateria erano li o cosa c’era prima di questo equilibrio. Se volete, ognuno, con il suo pensiero e la sua convinzione, puo’ dare la sua spiegazione. I processi di evoluzione dal tempo zero, sono ipotizzati, ma ancora molto lavoro resta da fare per verificare queste teorie e capire a fondo perche’, come e con che intensita’ sino avvenuti determinati meccanismi. Insomma, di lavoro da fare ce n’e’ ancora molto.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

 

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17 Risposte to “E parliamo di questo Big Bang”

  1. Antonio aprile 9, 2013 a 9:29 am #

    Ciao, avrei due domande abbastanza interessanti:

    1. Se l’universo si è espanso significa che ha dei confini più o meno marcati, o meglio, essendo la materia al suo interno non infinita deve esserci un limite spaziale, quindi anche un centro, dici che è possibile trovare questo centro?

    2. Dicono che l’universo è in accellerazione, ma se fosse il tempo a rallentare?

    • psicosi2012 aprile 10, 2013 a 1:21 am #

      Caro Antonio,
      cerco di rispondere alle due domande.

      Per quanto riguarda il centro, purtroppo non e’ possibile trovarlo, cosi’ come spiegato nell’esempio del palloncino. Ora, ovviamente si tratta di un esempio, per cui non reale. In questo caso, ogni punto sulla superficie vedeva gli altri allontanarsi, cosi’ come avviene nell’universo. In questo senso, non esiste un reale centro di espansione. Ora, l’universo non e’ paragonabile all’esempio bidimensionale del palloncino. Per poter comprendere l’espansione, e’ necessario lavorare almeno in 4 dimensioni nello spazio tempo. Anche se immaginare a mente una cosa del genere non e’ fattibile, la riduzione e 2D ci fa capire come avviene questa espansione. La tua domanda offre pero’ un altro spunto interessante di riflessione. Se l’universo e’ nato da una singolarita’ e si sta espandendo, ha dei confini marcati. Detto questo, contro cosa si espande l’universo? Purtroppo, su questo concetto, non esiste una spiegazione chiara e accettata, ma ognuno puo’ pensare quello che vuole. Ci sono teorie che vorrebbero l’universo in espansione control il nulla, altra che vorrebbero l’espanesione contro (o all’interno) di un altro universo in compressione. Tante teorie, probabilmente nessuna verificabile, ma tutte molto affascinanti. Piccolo inciso, quando si parla di nulla, si intende proprio nulla: niente materia, tempo, spazio, ecc, non il vuoto. In fisica, il vuoto non e’ vuoto dal momento che ha un’energia e produce spontaneamente coppie quark-antiquark, il nulla invece e’ porprio nulla.

      PEr quanto riguarda il secondo commento, ci sono teorie similari, ma si parla di rallentamento del tempo. In questo caso, per spiegare l’accelerazione dell’espansione, e’ stata proposta la teoria secondo la quale questa accelerazione sarebbe in realta’ illusoria perche’ e’ il tempo che sta allentando. Anche se apprentemente puo’ sembrare assurdo, l’ipotesi va presa in considerazione. Come visto nell’articolo, quando parliamo di tempo t=0 in cui inizia il big bang, intendiamo proprio l’origine dei tempi. Prima del big bang il tempo non esisteva, nel senso che questa dimensione, cosi’ come le altre, si sono create al momento dell’espansione. Dunque, se il tempo non esisteva ed e’ stato creato dal big bang, questa dimensione potrebbe anche scomparire o modificarsi nel corso dell’evoluzione dell’universo. Tra l’altro, utiizzando un approccio di questo tipo, le equazioni della metrica sarebbero soddisfatte cosi’ come la relativita’ generale. Detto questo, sono tutte ipotesi scientifiche. Purtroppo non siamo ancora in grado di dare una risposta decisiva in questo senso. Sicuramente, continuando ad osservare l’universo, potremo capire sempre nuove cose ed acquisire informazioni aggiuntive, ma siamo ancora molto lontani dal dire “abbiamo capito tutto”. Mio punto di vista, e’ che forse non arriveremo mai a dire questa frase. Ci sara’ sempre qualcosa “prima” che ha causato il “dopo” e su cui dovremo ragionare.

      Grazie mille per l’interessante commento. Se ci sono cose poco chiare o che vuoi discutere, sono argomenti molto interessanti anche per chi ci legge.

      Ciao,
      Matteo

      • Alessia aprile 10, 2013 a 4:37 pm #

        Molto interessante la tua risposta, Matteo 🙂
        Per la seconda domanda volevo aggiungere una cosa, il nostro universo ha quattro dimensioni, tre spaziali e una temporale, quindi in effetti hai ragione, se le galassie si attraggono reciprocamente, come anche il saggio Einstein diceva, rallentando l’espansione, ciò non vieta che anche il tempo venga rallentato dalla forza di gravità, solo che per noi è impossibile concepirlo perchè vediamo il tempo come una dimensione a parte 😀

      • psicosi2012 aprile 11, 2013 a 12:11 am #

        Perfettamente in accordo con te cara Alessia 🙂

        Grazie,
        Matteo

  2. Renato aprile 9, 2013 a 8:50 pm #

    Caro Matteo,
    Vorrei farti una domanda da profano e probablmente assurda, ma gradirei comunque una tua risposta. É mai stata valutata la possibilità che l’atttuale universo sia nato da un buco bianco?
    Grazie.
    Renato.

    • psicosi2012 aprile 10, 2013 a 1:21 am #

      Caro Renato,
      in questo contesto, forse piu’ di altri, non esistono domande assurde. Come visto, siamo in un campo in cui molte cose sono state comprese, ma mancano ancora tantissimi tasselli per aver un quadro chiaro. Il concetto di buco bianco e’ formulato in fisica anche se la comprensione di questi oggetti e’ ancora molto poco chiara. In termini molto semplicistici ci si riferisce a questi dicendo che hanno un ruolo inverso a quello dei buchi neri. Mentre nei primi scompare materia, nei secondi sembrerebbe venir creata. Come detto, e’ un approccio molto semplicistico, la comprensione di questi concetti include lo studio dell’orizzonte degli eventi, molto probabilmente, l’introduzione di fisica non standard ad altissime energie. Come detto nell’articolo, esistono prove del big bang identificabili sia nell’espansione delle galassie che nella cmb. Ora, il concetto di singolarita’ da cui e’ nato tutto l’universo e’ un po’ assurdo da digerire. Pensare ad un qualcosa di puntiforme, ad energia zero, senza tempo, senza dimensioni, senza nulla …. ma da cui e’ nato tutto, non e’ proprio semplice. Le condizioni di Sakharov consentono di spiegare la scomparsa dell’antimateria. Se vogliamo, gia’ qui siamo nel campo delle ipotesi, fare solo un piccolo passo indietro e arrivare al tempo 0 e’ ancora piu’ difficile. Similarmente a quanto detto da te, esiste anche una teoria che vedrebbe il nostro universo nato dall’espansione di un buco bianco, ma in questo approccio, questo oggetto sarebbe collegato tramite un wormhole ad un buco nero che contiene il tutto. E’ un po’ come una scatola cinese. Noi siamo all’interno di un qualcosa di piu’ grande, connessi a questo da un cordone ombelicale attraverso il quale e’ stata trasferita la materia. E’ possibile? Forse, cosi’ come sono possibili le altre teorie. L’ipotesi non e’ assurda, ci sono lavori scientifici a sostegno. Come detto pero’, siamo nel campo delle ipotesi e ne esistono veramente tante. Purtroppo, ancora molto manca alla comprensione di questo.

      Riassumendo, la tua ipotesi non e’ assurda. Esistono lavori scientifici a sostegno, pero’ il buco bianco deve essere connesso ad un buco nero, altrimenti la materia non si spiegherebbe. La stessa cosa avviene nel modello di singolarita’ iniziale. In questo caso, la materia (anche se non parliamo di materia perche’ ancora non esisteva come la concepiamo noi) era condensata in un solo punto da cui poi e’ nato il tutto.

      Grazie mille per l’interessante commento …. come sempre!

      Se ci sono altri punti scoperti, scrivilo tranquillamente e ne discutiamo, e’ interessante per tutti. Ovviamente non ci aspettiamo di trovare la soluzione del tutto 😉

      Matteo

  3. Luca aprile 10, 2013 a 6:28 pm #

    Ciao matteo vorrei il tuo parere su quest articolo che ho trovato sul web: (un asteroide minaccia la terra:dobbiamo cominciare a pregare?) cosa ne pensi matteo? Succederà qualcosa il 15 aprile? La nasa ci nasconde qualcosa che dovrebbe accadere?

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