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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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Piccolo approfondimento sulla materia strana

23 Nov

Approfitto di questo post per aprire una piccola parentesi puramente scientifica.

Dopo l’articolo:

2012, fine del mondo e LHC

ho ricevuto alcune richieste di utenti che chiedevano maggiori informazioni sui cosiddetti “strangelet”. In particolare, alcuni di voi erano interessati a capire meglio di cosa si trattasse e perche’ sarebbero ipotizzati come potenziali cause di una fine del mondo.

Ovviamente anche in questo caso cerchero’ di mantenere un taglio estremamente divulgativo, cercando di farvi capire con parole semplici di cosa si tratta.

Prendiamo il discorso molto alla larga.

Tutti sapete che la materia e’ composta di atomi. All’interno degli atomi trovate un nucleo centrale e degli elettroni che girano intorno.  Ora, all’interno del nucleo ci sono protoni e neutroni. A loro volta, i protoni ed i neutroni non sono particelle elementari, ma sono formati da quark tenuti insieme dalla forza forte.

In parole povere, abbiamo una sorta di matrioska in cui il nostro gioco termina solo quando arriviamo ai costituenti fondamentali. Con questo si intendono quelle particelle che, ad oggi, non sono formate da “pezzi” piu’ piccoli. Se volete, siamo arrivati ai mattoncini fondamentali che formano la materia.

Il numero di mattoncini fondamentali non e’ elevatissimo, ma distinguiamo tra leptoni e quark.

Cercate di non perdere il filo del discorso. L’elettrone, di cui tutti conosciamo l’esistenza, appartiene alla famiglia dei leptoni. Oltre all’elettrone ci sono il muone, il tau e 3 neutrini, detti a loro volta elettronico, muonico e del tau.

Nella famiglia dei quark, ci sono invece 6 membri che hanno nomi alquanto fantasiosi: up, down, strange, charm, bottom, top. Tradotti in italiano: su, giu’, strano, affascinante, basso e alto.

Tabella riassuntiva dei costituenti fondamentali nel modello standard

Prima di far venire il mal di testa a chi legge, i mattoncini fondamentali che conosciamo sono solo i quark ed i leptoni. Per dirla tutta, a questi si dovrebbero aggiungere anche i mediatori delle forze fondamentali che sono: il fotone, il W, lo Z ed il gluone. Ma questi ultimi non ci servono nella nostra discussione.

La figura riportata ci puo’ aiutare a fissare in mente questi concetti.

Se siete riusciti a leggere fino a questo punto, ora avrete la strada in discesa.

Come detto prima, nel nucleo troviamo neutroni e protoni. Queste particelle, che come anticipato sono a loro volta composte di quark, sono in realta’ formati solo da combinazioni di quark up e down.

Facciamo ora questo ragionamento. Tutto cio’ che ci circonda, noi compresi, e’ formato da atomi. Rileggendo quanto detto, tutto cio’ che ci circonda e’ formato da elettroni e quark up e down (nei protoni e neutroni). La differenza tra i diversi atomi sta solo nel numero di protoni, neutroni e elettroni che abbiamo.

Cosa significa questo? Tutta la materia che ci circonda, e che vediamo intorno a noi, e’ formata solo da 3 particelle fondamentali. E tutte le altre che vediamo nell’immagine dei costituenti fondamentali che fine fanno?

Le altre particelle entrano nei processi di decadimento che osserviamo in natura e che, molto spesso, siamo in grado di riprodurre nei nostri laboratori. Molti di questi, chiamiamoli in modo improprio, “composti” sono instabili, cioe’ dopo un tempo molto breve decadono in altre particelle piu’ stabili.

In condizioni normali, sappiamo che il protone, il neutrone e l’elettrone, che stiamo ora discutendo, sono stabili nell’atomo. La prova di questo ce l’avete guardandovi intorno. Se, ad esempio, il protone decadesse in altre particelle, dovreste vedere la materia scomparire e lasciare il posto ad altro.

Bene, gli strangelets, di cui abbiamo parlato nell’articolo su LHC, altro non sono che stati legati contenenti quark strange. Proprio da questo, si parla di materia “strana”.

Nella teoria degli strangelet, queste particelle potrebbero essere stabili ed interagire con la materia ordinaria, trasformandola a sua volta in materia strana. Da qui la teoria vista per cui eventuali atomi di questo tipo potrebbero trasformare l’intera Terra in un blocco di materia strana.

La confutazione di questa teoria e’ stata gia’ fatta nel precedente articolo. Spero con questo post di essere riuscito a farvi capire meglio di cosa si parla quando si citano gli strangelet e la materia strana in generale.

Solo per completezza, si ipotizza che la materia strana possa essere contenuta all’interno delle stelle di neutroni. Per questi corpi, l’alta densita’ di materia nel nucleo e l’elevata pressione a cui questa materia e’ sottoposta, potrebbero generare stati legati stabili contenenti quark strani.

Parlare di 2012 e profezie per la fine del mondo ci consente di esplorare aree e argomenti della scienza moderna, molto spesso considerati ostici e poco divulgabili al grande pubblico. Per continuare ad analizzare le profezie sul 2012, ma soprattutto a parlare di scienza vera e sempre attuale, non perdete in libreria “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”.