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Il Big Bang non è più quello che era una volta

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Se c’è un segno distintivo della scienza, è che la nostra comprensione di come funziona l’Universo è sempre aperta alla revisione di fronte a nuove prove. Ogni volta che la nostra immagine prevalente della realtà – comprese le regole con cui agisce, i contenuti fisici di un sistema e il modo in cui si è evoluto dalle sue condizioni iniziali al tempo presente – viene sfidata da nuovi dati sperimentali o osservativi, dobbiamo aspettarci, con il tempo, un cambiamento della nostra immagine concettuale del cosmo. Questo è successo molte volte dall’alba del 20° secolo e le parole che usiamo per descrivere il nostro Universo hanno cambiato significato man mano che la nostra comprensione si è evoluta.

Eppure, ci sono sempre alcuni che si aggrappano alle vecchie definizioni rifiutandosi di riconoscere che tali modifiche sono avvenute. Ma a differenza dell’evoluzione del linguaggio colloquiale, che è in gran parte arbitraria, l’evoluzione dei termini scientifici deve riflettere la nostra attuale comprensione della realtà. Ogni volta che parliamo dell’origine del nostro Universo, si pensa “al Big Bang“, ma la nostra comprensione delle nostre origini cosmiche si è evoluta enormemente da quando l’idea che il nostro Universo abbia avuto un’origine è stata avanzata scientificamente per la prima volta.

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Ecco come risolvere la confusione e aggiornarti su cosa significava originariamente il Big Bang rispetto a ciò che significa oggi.

La prima volta che la definizione “Big Bang” è stata pronunciata, erano trascorsi più di 20 anni dopo che l’idea era stata descritta per la prima volta. In effetti, il termine stesso deriva da uno dei più grandi detrattori della teoria: Fred Hoyle, che era un convinto sostenitore dell’idea rivale di una cosmologia dello stato stazionario. Nel 1949, apparve alla BBC sostenendo quello che ha chiamato il principio cosmologico perfetto: l’idea che l’Universo fosse omogeneo sia nello spazio che nel tempo, il che significa che qualsiasi osservatore, non solo ovunque ma in qualsiasi momento, dovrebbe percepire l’Universo come nello stesso stato cosmico. Ha continuato a deridere la nozione opposta definendola “l’ipotesi che tutta la materia dell’universo sia stata creata in un Big Bang in un particolare momento nel remoto passato“, che poi definì “irrazionale” e affermò di essere “al di fuori della scienza“.

Ma l’idea, nella sua forma originale, non era semplicemente che tutta la materia dell’Universo fosse stata creata in un momento in un passato finito. Quella nozione, derisa da Hoyle, si era già evoluta dal suo significato originario. In origine, l’idea era che l’Universo stesso, non solo la materia al suo interno, fosse emerso da uno stato di non essere nel passato finito. E quell’idea, per quanto sfrenata possa sembrare, era una conseguenza, inevitabile ma difficile da accettare, della nuova teoria della gravità avanzata da Einstein nel 1915: la Relatività Generale.

Quando Einstein elaborò per la prima volta la teoria della relatività generale, la nostra concezione della gravità si spostò per sempre dalla nozione prevalente di gravità newtoniana. Secondo le leggi di Newton, il modo in cui funzionava la gravitazione era che tutte le masse nell’Universo esercitavano una forza l’una sull’altra, istantaneamente attraverso lo spazio, in proporzione diretta al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro. Ma all’indomani della sua scoperta della relatività speciale, Einstein e molti altri riconobbero rapidamente che non esisteva una definizione universalmente applicabile di cosa fosse “distanza” o anche cosa significasse “istantaneamente” rispetto a due luoghi diversi.

Con l’introduzione della relatività einsteiniana – l’idea che gli osservatori in diversi sistemi di riferimento avrebbero tutti le proprie prospettive uniche e ugualmente valide su quali fossero le distanze tra gli oggetti e come funzionasse il passare del tempo – fu quasi immediato che i concetti precedentemente assoluti di “spazio” e “tempo” sono stati intrecciati in un unico tessuto: lo spaziotempo. Tutti gli oggetti nell’Universo si muovono attraverso questo tessuto e il compito di una nuova teoria della gravità sarebbe spiegare come non solo le masse, ma tutte le forme di energia, hanno plasmato questo tessuto che è alla base dell’Universo stesso.

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Se inizi con una configurazione di massa vincolata e stazionaria e non sono presenti forze o effetti non gravitazionali (o sono tutti trascurabili rispetto alla gravità), quella massa collasserà sempre inevitabilmente fino a trasformarsi in un buco nero. È uno dei motivi principali per cui un Universo statico e non in espansione non è coerente con la Relatività Generale di Einstein. Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Sebbene le leggi che regolano il funzionamento della gravitazione nel nostro Universo furono emanate nel 1915, le informazioni critiche su come è strutturato il nostro Universo non erano ancora arrivate. Mentre alcuni astronomi preferivano l’idea che molti oggetti nel cielo fossero in realtà “Universi insulari” che si trovavano ben al di fuori della Via Lattea, la maggior parte degli astronomi dell’epoca pensava che la Via Lattea rappresentasse l’intera estensione dell’Universo. Einstein si schierò con quest’ultimo punto di vista e, pensando che l’Universo fosse statico ed eterno, aggiunse un tipo speciale di fattore fondente nelle sue equazioni: una costante cosmologica.

Sebbene fosse matematicamente ammissibile fare questa aggiunta, il motivo per cui Einstein lo fece era perché senza di essa le leggi della Relatività Generale avrebbero assicurato che un Universo con una distribuzione uniforme della materia (come il nostro sembrava essere) sarebbe instabile. In effetti, era molto facile dimostrare che qualsiasi distribuzione inizialmente uniforme di materia immobile, indipendentemente dalla forma o dalle dimensioni, sarebbe inevitabilmente collassata in uno stato singolare sotto la propria attrazione gravitazionale. Introducendo questo termine extra di una costante cosmologica, Einstein lo sintonizzò in modo che da bilanciare l’attrazione di gravità verso l’interno spingendo proverbialmente l’Universo fuori con un’azione uguale e contraria.

La trama originale di Edwin Hubble delle distanze delle galassie rispetto al redshift (a sinistra), che stabilisce l’Universo in espansione, rispetto a una controparte più moderna di circa 70 anni dopo (a destra). In accordo sia con l’osservazione che con la teoria, l’Universo si sta espandendo e la pendenza della linea che mette in relazione la distanza con la velocità di recessione è una costante. Credito : E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

Due sviluppi, uno teorico e uno osservativo, avrebbero cambiato rapidamente questa storia iniziale che Einstein e altri avevano raccontato a se stessi.

  1. Nel 1922, Alexander Friedmann elaborò, completamente, le equazioni che governavano un Universo che era isotropicamente (lo stesso in tutte le direzioni) e omogeneamente (lo stesso in tutti i luoghi) riempito di qualsiasi tipo di materia, radiazione o altra forma di energia. Scoprì che un tale Universo non sarebbe mai rimasto statico, nemmeno in presenza di una costante cosmologica, e che doveva espandersi o contrarsi, a seconda delle specificità delle sue condizioni iniziali.
  2. Nel 1923, Edwin Hubble fu il primo a determinare che le nebulose a spirale nei nostri cieli non erano contenute all’interno della Via Lattea, ma piuttosto si trovavano molte volte più lontane di qualsiasi oggetto che componesse la nostra galassia natale. Le spirali e le ellittiche che si trovano in tutto l’Universo erano, in effetti, i loro stessi “Universi insulari“, ora conosciuti come galassie, e inoltre, come era stato precedentemente osservato da Vesto Slipher, la stragrande maggioranza sembrava allontanarsi da noi a velocità notevolmente elevate.

Nel 1927, Georges Lemaître fu la prima persona in assoluto a mettere insieme queste informazioni, riconoscendo che l’Universo oggi si sta espandendo e che se oggi le cose stanno diventando più distanti e meno dense, allora devono essere state più vicine e più dense nel passato. Estrapolando questo concetto fino alla sua conclusione logica, ha dedotto che l’Universo deve essersi espanso al suo stato attuale da un unico punto di origine, che ha chiamato “uovo cosmico” o “atomo primordiale“.

Questa immagine mostra il sacerdote cattolico e cosmologo teorico Georges Lemaître all’Università Cattolica di Leuven, ca. 1933. Lemaître fu tra i primi a concettualizzare il Big Bang come l’origine del nostro Universo nel quadro della Relatività Generale, anche se non usò lui stesso quel nome. (Credito: pubblico dominio)

Questa era la nozione originale di ciò che sarebbe diventata la moderna teoria del Big Bang: l’idea che l’Universo avesse avuto un inizio, o un “giorno senza ieri“. Tuttavia, per qualche tempo non fu generalmente accettata. Lemaître originariamente inviò le sue idee a Einstein, che respinse il lavoro di Lemaître rispondendo: “I tuoi calcoli sono corretti, ma la tua fisica è abominevole“.

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Nonostante la resistenza alle sue idee, tuttavia, Lemaître ottenne giustizia da ulteriori osservazioni dell’Universo. Furono misurate la distanza di molte galassie e lo spostamento verso il rosso della loro luce, portando alla schiacciante conclusione che l’Universo stava e si sta ancora espandendo, equamente e uniformemente in tutte le direzioni su grandi scale cosmiche. Negli anni ’30 Einstein riconobbe, riferendosi alla sua introduzione della costante cosmologica nel tentativo di mantenere l’Universo statico come il suo “più grande errore“.

Tuttavia, il prossimo grande sviluppo nella formulazione di quello che conosciamo come il Big Bang non sarebbe arrivato fino agli anni ’40, quando arrivò George Gamow, forse non così casualmente, un consigliere di Alexander Friedmann. Con un notevole balzo in avanti, comprese che l’Universo non era solo pieno di materia, ma anche di radiazione, e che la radiazione si era evoluta in modo leggermente diverso dalla materia in un Universo in espansione. Ciò avrebbe poca importanza oggi, ma nelle prime fasi dell’Universo aveva un’enorme importanza.

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Mentre la materia (sia normale che oscura) e la radiazione diventano meno dense man mano che l’Universo si espande a causa del suo volume crescente, l’energia oscura, e anche l’energia del campo durante l’inflazione, è una forma di energia inerente allo spazio stesso. Quando viene creato nuovo spazio nell’Universo in espansione, la densità di energia oscura rimane costante. Si noti che i singoli quanti di radiazione non vengono distrutti, ma semplicemente diluiscono e si spostano verso il rosso verso energie progressivamente più basse, estendendosi a lunghezze d’onda più lunghe ed energie più basse man mano che lo spazio si espande. (Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

La materia, realizzò Gamow, era composta da particelle, e man mano che l’Universo si espandeva e il volume occupato da queste particelle aumentava, la densità numerica delle particelle di materia sarebbe diminuita in proporzione diretta alla crescita del volume.

Ma la radiazione, pur essendo composta da un numero fisso di particelle sotto forma di fotoni, aveva una proprietà aggiuntiva: l’energia inerente a ciascun fotone è determinata dalla lunghezza d’onda del fotone. Quando l’Universo si espande, la lunghezza d’onda di ciascun fotone viene allungata dall’espansione, il che significa che la quantità di energia presente sotto forma di radiazione diminuisce più velocemente della quantità di energia presente sotto forma di materia nell’Universo in espansione.

Ma in passato, quando l’Universo era più piccolo, sarebbe stato vero il contrario. Se potessimo estrapolare indietro nel tempo, l’Universo un tempo si trovava in uno stato più caldo, più denso e più dominato dalle radiazioni. Gamow ha sfruttato questo fatto per fare tre grandi previsioni generiche sul giovane Universo.

  1. Ad un certo punto, la radiazione dell’Universo era abbastanza calda per cui ogni atomo neutro sarebbe stato ionizzato da un quanto di radiazione e che questo bagno di radiazione residuo potrebbe persistere ancora oggi solo a pochi gradi sopra lo zero assoluto.
  2. Ad un certo punto anche prima, sarebbe stato troppo caldo anche per formare nuclei atomici stabili, e quindi avrebbe dovuto verificarsi una fase iniziale della fusione nucleare, in cui una miscela iniziale di protoni e neutroni avrebbe dovuto fondersi insieme per creare un insieme iniziale di nuclei atomici: un’abbondanza di elementi che precede la formazione degli atomi.
  3. E infine, questo significa che ci sarebbe un punto nella storia dell’Universo, dopo la formazione degli atomi, in cui la gravitazione ha riunito questa materia in grumi, portando per la prima volta alla formazione di stelle e galassie.
Diagramma schematico della storia dell’Universo, evidenziando la reionizzazione. Prima che si formassero stelle o galassie, l’Universo era pieno di atomi neutri che bloccavano la luce che si erano formati quando l’Universo aveva circa 380.000 anni. La maggior parte dell’Universo non viene reionizzata fino a 550 milioni di anni dopo, con alcune regioni che ottengono la reionizzazione completa prima e altre dopo. Le prime grandi ondate di reionizzazione iniziano a verificarsi a circa 200 milioni di anni di età, mentre alcune stelle fortunate potrebbero formarsi solo da 50 a 100 milioni di anni dopo il Big Bang. Con gli strumenti giusti, come il JWST, speriamo di rivelare le prime galassie di tutte. Credito : SG Djorgovski et al., Caltech; Caltech Digital Media Center)

Questi tre punti principali, insieme alla già osservata espansione dell’Universo, formano quelle che oggi conosciamo come le quattro pietre miliari del Big Bang. Sebbene si fosse ancora liberi di estrapolare l’Universo indietro a uno stato arbitrariamente piccolo e denso – anche a una singolarità, se si ha il coraggio di farlo – quella non era più la parte della teoria del Big Bang che aveva alcun potere predittivo per esso. Invece, è stato l’emergere dell’Universo da uno stato caldo e denso che ha portato alle nostre previsioni concrete sull’Universo.

Negli anni ’60 e ’70, una combinazione di progressi osservazionali e teorici ha dimostrato inequivocabilmente il successo del Big Bang nel descrivere il nostro Universo e prevederne le proprietà.

  • La scoperta del fondo cosmico a microonde e la successiva misurazione della sua temperatura e della natura del corpo nero del suo spettro hanno eliminato teorie alternative come il modello dello stato stazionario.
  • Le abbondanze misurate degli elementi luminosi in tutto l’Universo hanno verificato le previsioni della nucleosintesi del Big Bang, dimostrando anche la necessità della fusione nelle stelle per fornire gli elementi pesanti nel nostro cosmo.
  • E più lontano guardiamo nello spazio, le galassie e le popolazioni stellari meno adulte ed evolute sembrano essere, mentre le strutture su scala più ampia come i gruppi di galassie e gli ammassi sono meno ricche e abbondanti più indietro guardiamo.

Il Big Bang, come verificato dalle nostre osservazioni, descrive in modo accurato e preciso l’emergere del nostro Universo, come lo vediamo, da uno stadio iniziale caldo, denso, quasi perfettamente uniforme.

Ma che dire dell'”inizio del tempo?” Che dire dell’idea originale di una singolarità e di uno stato arbitrariamente caldo e denso da cui lo spazio e il tempo stessi potrebbero essere emersi per la prima volta?

Una storia visiva dell’Universo in espansione include lo stato caldo e denso noto come Big Bang e la successiva crescita e formazione della struttura. L’intera suite di dati, comprese le osservazioni degli elementi luminosi e del fondo cosmico a microonde, lascia solo il Big Bang come una valida spiegazione per tutto ciò che vediamo. Man mano che l’universo si espande, si raffredda, consentendo la formazione di ioni, atomi neutri e infine molecole, nubi di gas, stelle e infine galassie. Tuttavia, il Big Bang non è stata un’esplosione e l’espansione cosmica è molto diversa da quell’idea. Credito : NASA/CXC/M. Weiss)

Questa è una conversazione diversa, oggi, rispetto a quella degli anni ’70 e precedenti. Allora sapevamo che avremmo potuto estrapolare il caldo Big Bang indietro nel tempo: indietro alla prima frazione di secondo della storia dell’Universo osservabile. Tra ciò che potevamo imparare dai collisori di particelle e ciò che potevamo osservare nelle profondità più profonde dello spazio, avevamo molte prove che questa immagine descrivesse accuratamente il nostro Universo.

Ma nei primi tempi in assoluto, questa immagine non funziona. C’era una nuova idea – proposta e sviluppata negli anni ’80 – nota come inflazione cosmologica, che faceva una serie di previsioni in contrasto con quelle nate dall’idea di una singolarità all’inizio del caldo Big Bang. In particolare, l’inflazione prevedeva:

  • Una curvatura per l’Universo indistinguibile da quella piatta, al livello compreso tra il 99,99% e il 99,9999%; in confronto, un Universo singolarmente caldo non ha fatto alcuna previsione.
  • Uguali temperature e proprietà per l’Universo anche in regioni causalmente disconnesse; un Universo con un inizio singolare non ha fatto tale previsione.
  • Un universo privo di reliquie esotiche ad alta energia come monopoli magnetici; un Universo arbitrariamente caldo li possederebbe.
  • Un universo seminato con fluttuazioni di piccola magnitudine che erano quasi, ma non perfettamente, invarianti di scala; un universo non inflazionistico produce fluttuazioni di grande magnitudine che sono in conflitto con le osservazioni.
  • Un Universo in cui il 100% delle fluttuazioni sono adiabatiche e lo 0% sono isocurvature; un Universo non inflazionistico non ha preferenze.
  • Un Universo con fluttuazioni su scale più grandi dell’orizzonte cosmico; un Universo originato unicamente da un caldo Big Bang non può averli.
  • E un Universo che ha raggiunto una temperatura massima finita che è ben al di sotto della scala di Planck; al contrario di uno la cui temperatura massima ha raggiunto fino a quella scala energetica.

I primi tre erano post-dizioni di inflazione; le ultime quattro erano previsioni che non erano state ancora osservate quando furono fatte. In tutti questi casi, il quadro inflazionistico ha avuto successo in modi che il caldo Big Bang, senza inflazione, non ha avuto.

Le fluttuazioni quantistiche che si verificano durante l’inflazione si estendono in tutto l’Universo e, quando l’inflazione finisce, diventano fluttuazioni di densità. Ciò porta, nel tempo, alla struttura su larga scala dell’Universo attuale, nonché alle fluttuazioni di temperatura osservate nel CMB. Nuove previsioni come queste sono essenziali per dimostrare la validità di un meccanismo di messa a punto proposto e per testare (e potenzialmente escludere) alternative. (Credito : E. Siegel; ESA/Planck e la task force interagenzia DOE/NASA/NSF sulla ricerca CMB)

Durante l’inflazione, l’Universo doveva essere privo di materia e radiazioni e invece conteneva una sorta di energia, inerente allo spazio o come parte di un campo, che non si diluiva con l’espansione dell’Universo. Ciò significa che l’espansione inflazionistica, a differenza della materia e delle radiazioni, non ha seguito una legge di potere che riconduce a una singolarità, ma piuttosto è di carattere esponenziale. Uno degli aspetti affascinanti di questo è quel qualcosa che aumenta esponenzialmente, anche se lo si estrapola a tempi arbitrariamente primitivi, anche a un tempo in cui t → -∞, non raggiunge mai un inizio singolare.

Ora, ci sono molte ragioni per credere che lo stato inflazionistico non fosse eterno nel passato, che potrebbe esserci stato uno stato pre-inflazionistico che ha dato origine all’inflazione e che, qualunque fosse quello stato pre-inflazionistico, forse ha avuto un inizio. Ci sono teoremi che sono stati dimostrati e scappatoie scoperte a quei teoremi, alcuni dei quali sono stati chiusi e alcuni dei quali rimangono aperti, e questa rimane un’area di ricerca attiva ed entusiasmante.

Le linee blu e rosse rappresentano uno scenario “tradizionale” del Big Bang, in cui tutto inizia all’istante t=0, compreso lo spaziotempo stesso. Ma in uno scenario inflazionistico (giallo), non si raggiunge mai una singolarità, dove lo spazio va a uno stato singolare; invece, può diventare arbitrariamente piccolo in passato, mentre il tempo continua a tornare indietro per sempre. Solo l’ultima minuscola frazione di secondo, dalla fine dell’inflazione, si imprime oggi nel nostro Universo osservabile . (Credito: E. Siegel)

Ma una cosa è certa.

Che ci sia stato un inizio singolare e definitivo per tutta l’esistenza o meno, non ha più nulla a che fare con il caldo Big Bang che descrive il nostro Universo dal momento che:

  • l’inflazione è finita,
  • si verificò il caldo Big Bang,
  • l’Universo si riempì di materia e radiazioni e altro ancora,
  • e cominciò ad espandersi, raffreddarsi e gravitare,

portando infine ai giorni nostri. C’è ancora una minoranza di astronomi, astrofisici e cosmologi che usano “il Big Bang” per riferirsi a questo inizio teorizzato e all’emergere del tempo e dello spazio, ma non solo non è più una conclusione scontata, ma non ha qualcosa a che fare con il caldo Big Bang che ha dato origine al nostro Universo. La definizione originale del Big Bang è ora cambiata, così come è cambiata la nostra comprensione dell’Universo. Se sei ancora indietro, va bene; il momento migliore per recuperare è sempre adesso.

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