Categorie: Le origini
Tags: densità universo inflazione isotropia orizzonte rumore cosmico di fondo
Scritto da: Vincenzo Zappalà
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Il grande soffio che ha reso piatto l’Universo: l’inflazione cosmica. 1 **
Ho deciso di dividere l’articolo sull’inflazione cosmica in due parti (al massimo tre o magari quattro, vedrò al momento).
La prima vuole solo spiegare perché vi è stata la necessità di introdurre un fenomeno che a prima vista sembrerebbe del tutto gratuito. Ci si potrebbe anche fermare qui. Per avere un’idea generale della problematica a livello superficiale potrebbe essere sufficiente.
La seconda e le eventuali altre cercheranno di descrivere in dettaglio come ha agito questo processo che è, in qualche modo, simile a molti meccanismi che abbiamo sotto gli occhi tutti i giorni, come ad esempio il passaggio dell’acqua dallo stato liquido a quello solido (in fondo è sempre questione di temperatura…), ma tenterà di rispondere al perché e al come si è innescata l’inflazione. Esse cercheranno di rispondere, automaticamente, al ben più complesso problema del pre-Universo e a molti altri dubbi e ipotesi ancora in una fase vaga e indistinta. Sarà fondamentale aver compreso bene la meccanica quantistica, dato che una possibile spiegazione si fonda proprio sui suoi concetti base. Niente di veramente astruso, quindi, ma solo una ricerca di spiegazione basata sulla sua logica-illogicità.
Parlare di inflazione vuol dire parlare di nascita dell’Universo (o degli universi) e ciò comporta un problema essenziale: non può essere spiegata e -soprattutto- confermata attraverso un metodo scientifico esatto. Se non altro perché non può essere riprodotta in laboratorio… Essa rimane una teoria, sempre in attesa di prove osservative che possano avvalorarla e magari anche descriverla, ma difficilmente capaci di dimostrarla con certezza definitiva.
Se si riuscisse a renderla un fenomeno completamente comprensibile si riuscirebbe a risolvere automaticamente il problema della nascita dell’Universo e della sua unicità o molteplicità. Sarebbe fantastico, certamente, ma probabilmente conosciamo ancora troppo pochi concetti fondamentali per raggiungere l’ambizioso scopo. Ci mancano troppi pezzi per capire cosa rappresenta il nostro “puzzle”. Bisogna avere pazienza e lavorare teoricamente e con molta fantasia. Fantasia, però, non completamente libera di agire e di creare, ma sempre legata saldamente a quel poco che si conosce con sicurezza (o quasi).
Faccio un semplice esempio: il vuoto quantico, ossia quella “cosa” che è vuoto ma che può creare improvvisamente due particelle o onde o quello che volete che durano un attimo e poi si annullano a vicenda. Bene, questa ipotesi ha un senso logico e scientifico, dato che si basa sul principio di indeterminazione di Heisenberg e non su un’idea balzana nata in un freddo pomeriggio piovoso.
Prima di esprimere una qualsiasi idea personale bisognerebbe chiedersi: “Conosco veramente tutta la Scienza su cui si basa la mia idea per potermi permettere di esprimerla?” Se la risposta à NO, è meglio lasciare perdere e tornare a imparare prima di esprimere idee prive di basi. Altrimenti, sarebbe un po’ come pensare di essere Picasso solo perché i propri disegni non hanno forme comprensibili.
Una cosa è divertirsi e fare fantascienza, un’altra cosa è sentirsi all’altezza di formulare teorie di valore scientifico.
Torniamo all’inflazione. Anche lei sembrerebbe frutto di una teoria messa in piedi tanto per spiegare cose che non si capiscono, trascurando del tutto le basi scientifiche precedenti. No, non è così. Per pensare a un fenomeno teorico (almeno per adesso) come l’inflazione, è necessario conoscere perfettamente le conquiste della meccanica quantistica. In altre parole, essa è una teoria che si basa sulla realtà di certi fatti. Potrebbe anche non essere vera, ma sicuramente non va contro ciò che sappiamo. Solo una sua conoscenza accurata può dare motivazioni “controllate” e controllabili sulle teorie più “aleatorie” come quella dell’Universo a bolla (o magari infiniti universi) contenuto (i) in un universo ben più grande e forse infinito.
L’inflazione nasce per spiegare qualcosa ma poi, ovviamente, bisogna anche spiegare come nasce.
Perché vi è bisogno dell’inflazione? E -soprattutto- perché si è pensato a un concetto apparentemente estraneo a ciò che si sapeva fino alla sua introduzione nel modello generale dell’evoluzione cosmica? Facciamo un paio di esempi terra-terra.
Noi conosciamo in modo molto vago, o addirittura solo per sentito dire (ossia per interposta persona), l’esistenza del grano. Non sappiamo nemmeno quanto ce ne sia: un chicco, due chicchi o miliardi. Tuttavia, ogni mattina andiamo a comprare il pane. Sicuramente proviene dal grano, ma come ha fatto a diventare così grande? Deve esserci stato un agente particolare o un fenomeno o chissà che cosa che ha permesso a quei chicchi ipotetici di ingrandirsi e cambiare stato e forma. Ogni zona del pane ha la stessa composizione e quindi le sue varie parti devono essere state a contatto all’inizio, ma poi si sono allontanate tra loro in modo inspiegabile. In qualche modo ci lanciamo in un’ipotesi ardita: delle piccole cellule e le loro capacità hanno permesso la “lievitazione”.
Prendiamo adesso un bel bicchiere d’acqua e guardiamolo al microscopio. Le sue molecole sono sistemate in modo caotico, senza alcun ordine. Basta, però, che la temperatura scenda ed ecco che l’acqua non solo aumenta di volume, ma è ora composta da strutture perfettamente ordinate che seguono schemi regolari e ripetitivi. La neve ne è un esempio ancora più lampante. Cosa è successo? La composizione è sempre la stessa, ma la materia ha cambiato stato, da liquido è passata a solido.
Questi esempi, del tutto comuni, non ci meravigliano più di tanto e accettiamo senza scandalizzarci le teorie che hanno spiegato le motivazioni di cambiamenti a prima vista inspiegabili. Anche per loro si è cercata una spiegazione empirica e solo dopo si è scoperto il perché e il percome.
Qual è stato il cambiamento di stato che appare evidente nell’Universo? Proprio un’espansione mostruosamente rapida ed efficace che permette di collegare ciò che vediamo oggi con ciò che immaginiamo ci sia stato all’inizio. Senza di lei molte cose non riescono a spiegarsi. C’è necessità di introdurla per poter spiegare, ma ancora difficile risulta spiegare il perché e il percome.
Vediamo allora quali sono stati gli ostacoli insormontabili che facevano del Big Bang un’idea sicuramente valida e geniale (e anche provata da molti effetti successivi osservati), ma che doveva aver subito un particolare cambiamento simile proprio a un cambiamento di fase. Ve ne sono molte, alcune ancora da investigare, ma possiamo riassumerle in tre fondamentali:
1) Un Universo “troppo” piatto.
L’Universo attuale ha una densità tale da poter essere considerato piatto su larga scala, ossia la geometria che lo descrive è quella Euclidea (la somma degli angoli di un triangolo è uguale a 180°). E’ una situazione critica, sicuramente non casuale. E’ come ottenere una parabola o un cerchio, scegliendo a caso una conica qualsiasi. Ottenere un’eccentricità esattamente uguale a 1 o a 0 è un colpo di fortuna difficilmente accettabile. Non solo però.
Se oggi l’apparenza è quella di un Universo “quasi” piatto vuole dire (per varie motivazioni spiegabili matematicamente) che all’inizio doveva essere ancora più piatto, con un errore mostruosamente piccolo. Ma se qualcosa è nato da un punto singolare (il Big Bang), NON poteva essere piatto al tempo zero più poche frazioni di secondo. L’unico modo logico per spiegare questa anomalia irrisolvibile con un modello in espansione normale è quello di inserire una fase di espansione mostruosamente grande.
Immaginiamo, in prima approssimazione, che Universo piatto voglia proprio dire un Universo che sia rappresentabile con un piano (lo abbiamo fatto spesso e volentieri). Dopo il Big Bang, però, l’Universo è un palloncino piccolissimo che si gonfia. Sarebbe impossibile vederlo come un piano e non come una superficie sferica. Se, però, lo gonfiamo con tutto il fiato che abbiamo, il palloncino diventa talmente grande che la zona di Universo in cui viviamo, e che riusciamo a osservare, può essere approssimata benissimo da un piano. Il gioco è fatto: anche al tempo poco più di zero, l’Universo può essere considerato piatto. Attenzione… stiamo parlando di Universo osservabile, o –se preferite- della parte che riusciamo a vedere e non di tutto l’Universo. Quest’ultimo potrebbe anche essere aperto o chiuso.
Per dirvi cosa intendo per veramente piatto, consideriamo che oggi esso abbia una densità compresa tra 0.9 e 1.1. Insomma, quasi 1, ma non proprio. Tuttavia, estrapolando questo valore indietro nel tempo, troveremmo che al tempo della radiazione cosmica di fondo la densità doveva essere compresa tra 0.9997 e 1.0003. Spingendoci fino all’epoca della prima nucleosintesi (circa 3 minuti dopo l’inizio) si otterrebbe una densità compresa tra 1 - 10-14 e 1 + 10-14. Se non possiamo considerare 1 un valore così preciso… Insomma, l’Universo era piatto fin dall’inizio e questo non può andar bene con un palloncino che si gonfia “lentamente”. Prima dei tre minuti DEVE esserci stato un “soffiatore” veramente speciale! E meno male che c’è stato, altrimenti noi non ci saremmo… Se a quei tempi la densità fosse stata solo poco più piccola di 1 l’Universo sarebbe velocemente collassato su se stesso (sgonfiamento del palloncino), se fosse stato di poco maggiore di 1 si sarebbe espanso in modo distruttivo (lo scoppio del palloncino) ben prima che si potessero formare le prime stelle.
Ovviamente, questa inaspettata ed enorme espansione quasi istantanea prende il nome di inflazione.
Rendiamo il concetto ancora più chiaro, utilizzando la semplice Fig. 1, dove guardiamo proprio il palloncino che si sta gonfiando in modo parossistico. La sua curvatura è molto alta all’inizio, ma molto velocemente la superficie del palloncino tende a diventare del tutto simile a un piano, ossia la curvatura si annulla e la densità tende a 1. Ciò è vero, ovviamente, per un osservatore che veda solo una piccola parte della superficie. Noi siamo proprio in quelle condizioni: l’Universo che riusciamo a vedere può essere tranquillamente approssimato a un piano, ossia essere considerato “piatto”. L’importante, però, è che è che questa situazione critica sia stata raggiunta già pochi istanti dopo la nascita dell’Universo. Solo così si può spiegare un Universo piatto fin dall’inizio, quando invece sarebbe dovuto essere solo un piccolissimo palloncino (non certo piatto…). In poche parole, un’espansione violenta e rapidissima e non un gonfiamento lento e regolare.
2) Il problema dell’orizzonte.
Se noi osserviamo la radiazione cosmica di fondo ci rendiamo conto che è governata da una grande omogeneità su larga scala. Ciò che in realtà si misura è la temperatura ed essa varia da zona a zona di un valore estremamente piccolo. In numeri, la variazione di temperatura per regioni che distano molti gradi tra loro si mantiene dell’ordine di dT/T = 10-5. Ma, forse ancora più importante, lo spettro di questa radiazione obbedisce molto bene alla legge del corpo nero. Un sistema che segue questa legge deve essere in equilibrio termico. Ciò può ottenersi solo se le componenti dell’intero sistema sono state a contatto (o meglio hanno interagito) per un certo tempo, anche se infinitesimo.
E qui casca l’asino! Oggetti celesti A e B che noi vediamo ai limiti del nostro Universo in direzioni opposte hanno inviato la loro luce verso di noi non oltre 13.7 miliardi di anni fa (una specie di orizzonte). Ci hanno appena raggiunto e non hanno certamente potuto interagire tra di loro! Avrebbero avuto bisogno di un tempo doppio. Più concretamente, due punti della radiazione cosmica di fondo che oggi sono separati di un angolo di 60° distano tra di loro circa 15 miliardi di anni luce. L’Universo dal momento della radiazione cosmica di fondo (circa 380 000 anni dopo il Big Bang) fino ad oggi si è espanso di 1300 volte. Il calcolo è facile: in quel tempo le due sorgenti dovevano essere separate da 12 milioni di anni luce. Se proseguissimo fino al Big Bang due sorgenti così lontane non avrebbero mi potuto incontrarsi. Ciò sarebbe stato possibile solo per oggetti racchiusi entro 2°.
La conclusione è che quelle due zone nel modello normale non avrebbero potuto interagire e di conseguenza nemmeno poter raggiungere una temperatura così simile. E invece lo hanno fatto, senza ombra di dubbio! La soluzione è una sola: a un certo momento l’Universo deve essersi espanso a velocità ben maggiore di quella della luce. Solo così due particelle (o quello che volete), a contatto all’inizio, avrebbero potuto essere osservate in seguito a distanze non più raggiungibili dalla luce. Il palloncino all’inizio era talmente piccolo che la luce di ogni sua componente poteva interagire con tutte le altre. In tal modo esse si sono scambiate tutte le informazioni per seguire un’unica legge del corpo nero e raggiungere una temperatura quasi perfettamente uguale. Poi, il palloncino si è espanso a tal punto che qualsiasi ulteriore informazione tra le particelle è stata impossibile. Tuttavia, ormai sapevano come comportarsi!
Per mantenere un inizio puntiforme e spiegare la distanza assurda di oggetti che si devono essere scambiate informazioni, ma che già 380 000 anni dopo non avrebbero più potuto farlo, resta solo da ipotizzare un’espansione mostruosa, proprio uguale all’inflazione definita precedentemente.
Riassumiamo quanto detto utilizzando la Fig. 2. La conoscete bene perché si riferisce all’evoluzione dell’Universo considerando le distanze comoventi, ossia riferendoci a distanze che rimangono invariate durante l’espansione “normale”. Per rinfrescarvi la memoria andate QUI.
In questo modo è facilissimo introdurre i “miei” soliti coni di luce e descrivere in modo geometricamente semplicissimo la situazione. A e B sono due “oggetti” o “zone” o quello che preferite, che inviano le loro microonde 380 000 anni dopo il Big Bang. Essi, come noi, si muovono lungo rette parallele (abbiamo escluso l’espansione). I segnali ci raggiungono solo oggi, seguendo le traiettorie a 45° relative alla velocità della luce. Il triangolo noi-A-B rappresenta il nostro cono di luce passato, come ormai sapete fin troppo bene.
A e B sono, però, “obbligati” a essersi scambiati informazioni, dato che hanno caratteristiche “troppo” uguali per non essersi mai parlati assieme! Possono averlo fatto? Sicuramente no. Basta tracciare i loro coni di luce passati e vedere se hanno una qualche intersezione. Come potevamo facilmente immaginare, in un intervallo di tempo di soli 380 000 anni, i due coni di luce (blu e rosso) restano ben distanti tra loro. Niente da fare: non possono essersi conosciuti precedentemente.
E’, allora, necessario inserire una fase in cui l’espansione sia stata ben maggiore del “normale”, ossia di quella tenuta in conto dalle coordinate comoventi. Passiamo alla Fig. 3. In essa, ho allargato un po’ il tempo tra il momento della radiazione cosmica di fondo e il Big Bang o -se preferite- il tempo 0.
Nell’intervallo compreso tra circa 10-36 e 10-32 secondi dopo l’origine (vi sono ancora molte incertezze sul periodo esatto, ovviamente…), avviene l’inflazione. L’Universo si espande in modo strabiliante e le coordinate comoventi relative a una espansione “normale” non possono tenerne conto. Nella figura vediamo chiaramente questa fase drammatica e fondamentale. I “punti” A e B molto vicini tra loro si portano improvvisamente a una distanza tale che la luce non può coprirla nemmeno in 13.7 miliardi di anni, come abbiamo visto prima. Però, prima dell’inflazione, i coni di luce di A e B possono tranquillamente intersecarsi e i due “amici” scambiarsi tutte le informazioni del caso. Per semplicità, ho disegnato l’espansione precedente all’inflazione come quella successiva. Che sia vero o no ha poca importanza, dato che tutto ciò che era Universo, in quel momento, era a stretto contatto di … luce.
3) anisotropie su piccola scala.
Sembrerebbe quasi l’opposto del punto precedente, dove l’omogeneità è stata presa come prova dell’inflazione. Tuttavia, lo stesso processo riesce a spiegare anche qualcosa che sembra il contrario di quanto appena dimostrato. Nella radiazione cosmica di fondo si vedono macchie di colore diverso che indicano fluttuazioni di temperatura su piccola scala. Oggi, l’Universo è formato da zone di “vuoto” e da zone occupate da materia, come le galassie. Dalle macchie della radiazione di fondo alle galassie odierne la spiegazione è intuitiva: le piccole anisotropie locali si sono espanse fino a diventare le strutture a grande scala delle galassie, dei loro ammassi e dei loro superammassi. Cosa ha fatto l’inflazione nei momenti in cui è stata attiva? Non ha fatto altro che ingigantire le infinitesime fluttuazioni che la caratterizzavano.
Vedremo in seguito che questo è un effetto atteso dato che l’inflazione è una fase nata dalla rottura della “simmetria” originaria. Una fluttuazione quantica si è velocemente ingigantita nell’anisotropia a piccola scala del rumore di fondo e, attraverso un’espansione più tranquilla, nelle strutture attuali del Cosmo. In poche parole, l’inflazione ha ingigantito situazioni di irregolarità fino a creare i semi delle future galassie. Speriamo che sia anche riuscita a ingigantire veramente le onde gravitazionali primordiali…
Vi sarebbe anche il problema del monopolo, ma le idee sono ancora abbastanza discordanti e, al limite, lo tratteremo alla fine.
Possiamo fermarci qui, dato che è meglio procedere con calma. Abbiamo visto perché è stata introdotta l’inflazione. Un processo che riesce a spiegare le assurdità di un modello che parte da un punto piccolissimo e arriva al Cosmo di oggi. Se non ci fosse l’inflazione, cadrebbe l’ipotesi del punto (sempre che si possa definire come tale) e si tornerebbe a problemi ancora più grandi. Una teoria, d’accordo, ma fortemente sostenuta da concetti e osservazioni sia precedenti che susseguenti la sua formulazione. Non dimentichiamolo mai. E’ un’ipotesi ardita, ma si basa su una conoscenza profonda di tutto il sapere odierno, senza cancellare o dimenticare ciò che non fa comodo. Proprio l’opposto del Global Warming, insomma…
Ciò che resta da fare, adesso, è descrivere un po’ meglio come ha agito l’inflazione e -molto più arditamente- cercare di spiegare come è nata.
36 commenti
Grazie Enzo, argomento interessantissimo!
)....con trepidazione! 
Prima di fare domande aspetto il continuo(visto che probabilmente ci saranno gia li le risposte
Ciao Enzo, ben tornato!
Vediamo se ho capito, l'inflazione iniziale è un concetto introdotto per per spiegare la sostanziale omogeneità della radiazione di fondo. Facendo una similitudine, forse non molto azzeccata, è come se l'universo fosse un fuoco artificiale, polvere pirica e sali colorante mescolati intimamente ed al momento dello scoppio l'improvvisa accelerazione dovuta alla combustione per poi allontanarsi a velocità costante, (nella realtà vi è la decelerazione dovuta alla resistenza dell'aria e l'effetto della gravità...)
direi proprio di sì, Beppe...
grande enzo,per ora chiarissimo. una sola domanda di base: quindi secondo questo modello,l'espansione diciamo "normale" dell'universo-quella che,in modo più o meno costante continua fino ad ora-inizierebbe 10-32 secondi dopo il big bang ?come si fa a dedurre che questi "cambiamenti" di stato avvengano nei primissimi ed infinintesimali attimi dopo il big bang e che durino un lasso di tempo simile? dopotutto non abbiamo informazione fino a 3800000 anni dopo no?cioè fino al primo lampo qualsiasi valore di espansione/inflazione potrebbe essere valido,o no?
pardon,ho già inflazionato anch'io,ho messo uno zero di troppo,vabbè
comunque trecentoottantamila anni
caro Davide,
in parole molto semplificate potrei dirti che negli istanti successivi devono succedere molte altre cose alla materia che si è appena formata (particelle, nuclei, atomi,...). In realtà, un fenomeno come quello dell'inflazione deve capitare immediatamente dopo che si è creata una rottura di simmetria nel vuoto quantico. In altre parole, deve avvenire poche frazioni di secondi dopo che si è creata la fluttuazione primordiale. Se la volessimo spostare nel tempo... dovremmo spostare anche l'origine del tempo.... Finisce, poi, non appena si è completata la transizione di fase che l'ha causata. Scusa le parole poco chiare, ma... i primi istanti dell'Universo non possono farne a meno, se si vuole essere minimamente "corretti".
Come dico nell'articolo, per elaborare teorie diverse da quella del Big Bang "semplice", come quella inflazionistica e tutte le sue derivazioni più o meno intricate, è necessario conoscere perfettamente l'ABC della meccanica quantistica e dei campi scalari. Cosa questa quasi impossibile per il nostro blog. Dovremo accontentarci di una visione molto rozza, piena di molti punti da prendere per buoni...
Vedrò di dare il massimo, senza tralasciare troppo... Sarà dura... molto dura! Spero di rimanere comprensibile, senza inserire troppi "omissis"...
Comunque, mi ci vorrà del tempo per fare opera di massima semplificazione...
Abbiate pazienza....
grazie enzo,per ora ci sono....comunque io mica voglio elaborare teorie diverse eh,ci mancherebbe...solo cercare di capire i meccanismi che portano a quelle "vigenti".
fidati che di pazienza ne dovrai avere ben più tu,con ignorantoni come me,altro che abc
comunque argomento interessantissimo,aspetto il seguito
complimenti Enzo, un articolo chiarissimo.
Credo di parlare a nome di tutti dicendo che come sempre riesci a far capire a tutti concetti estremamente complicati usando un linguaggio comprensibile anche a chi non ha le basi di astronomia.
E una qualità veramente da SUPER professore, riesci sempre a metterti nei panni della platea che ti legge o ti ascolta!
Volevo chiedere qualche chiarimento (anche se con un pò di imbarazzo), tanto per esser sicuro di evitare di non capire senza neanche accorgermene:
1- la radiazione cosmica che vediamo e su cui ipotizziamo, tramite la sua analisi il big bang e il processo inflazionistico, è quella prodotta dal nostro universo osservabile non da TUTTO l'universo vero?
2- quando parli di universo osservabile piatto parli di densità (immagino (materia + energia)/volume) tra 0,9 e 1,1.
Mi spieghi meglio questo punto? io pensavo che avessero dedotto la piattezza dell'universo osservabile solo geometricamente, scrutando punti lontanissimi tra loro e vedendo che formavano triangoli la cui somma degli angoli era 180 gradi...
3- infine una curiosità, tenendo conto del valore di densità QUASI 1, del diametro del nostro universo osservabile che se non erro è circa 90 miliardi di anni luce e del tempo trascorso dalla creazione, è possibile in linea teoria ipotizzare un diametro minimo dell'universo vero (sempre che non sia infinito) tenendo conto di quel valore di questa densità di quasi 1? questo valore cosi vicino a 1 è un problema di fine-turning?
spero di non aver approfittato troppo della tua pazienza!
caro Davide,
C'è l'ho un poco con chi, a volte, cerca di speculare su nozioni sentite dire senza essersi prima creato delle basi solide. Ti assicuro che capita anche a certi "addetti" ai lavori...
non mi riferivo certo a te e nemmeno ai nostri amici del blog!
Ottimo inizio Enzo, attendiamo con ansia le altre parti
Sul punto 3) mi lascia senza fiato pensare che le galassie, gli ammassi, i super-ammassi, che osserviamo abitualmente con i nostri telescopi o ancor meglio con le immagini di Hubble, si siano formati in seguito a fluttuazioni quantistiche!
caro Alex,
1) ovviamente sì. Per la stessa definizione di orizzonte. Esso si riferisce solo a ciò che riusciamo a vedere. L'inflazione ha proprio creato un Universo osservabile compreso in un Universo molto più grande. Ci torneremo sopra... ma è una questione che abbiamo già trattato varie volte.
2)Essere piatto vuole solo dire accettare una certa geometria. Essere piatto, però, vuole anche dire avere una densità critica se no si cade nel caso aperto o chiuso. E' la famosa gamma maiuscola... di cui abbiamo parlato altre volte. Ciò che comanda è la lotta tra gravità totale (massa presente) ed espansione. Essere uguale a 1 vuol dire essere in equilibrio instabile (come una matita che sta in piedi sulla punta). L'unico modo perché una situazione così critica succeda è che vi sia stata l'inflazione e che noi si stia vivendo in un Universo Osservabile che si è espanso in modo parossistico.
3)Se ho ben capito la domanda, è proprio l'inflazione che permette all'Universo iniziale di essere piccolissimo comunque. Se non ci fosse stata dovremmo andare molto più indietro per arrivare al punto iniziale, ma le cose non tornerebbero assolutamente. L'Universo deve essere nato da una fluttuazione di dimensioni dell'ordine della grandezza di Planck. Solo l'inflazione ha ingigantito il tutto evitandone il repentineo collasso. Ci torneremo presto...
caro SMA,
che il mare di Dirac me la mandi buona!!!!
hai ragione... per digerire meglio la "pillola", è meglio fare due salti. Prima pensare che le macchioline di diversa temperatura nel rumore di fondo diventeranno le galassie e le zone di "vuoto". In fondo, indicano proprio zone in cui vi è massa e in cui non vi è o giù di lì. Accettato questo, si può fare il secondo salto e pensare che una zona di temperatura leggermente diversa deriva da irregolarità nell'espansione rapidissima di una fluttuazione che ha subito un ingrandimento mostruoso di tutto ciò che esisteva al suo interno. Questa parte è meno ovvia, ma, in fondo, è come pensare al cambiamento da acqua a ghiaccio. D'altra parte, proprio l'inflazione potrebbe avere ingigantito anche le onde gravitazionali primordiali, come si sta discutendo animatamente oggi a seguito dei risultati antartici.
Cari miei, sarà dura cercare di spiegare le fasi primordiali secondo i principi base della MQ. Anche se, in fondo, in fondo, basta far proprio il principio di Heisenberg e una rottura di simmetria. Cercherò di spolpare la bistecca mantenendola però mangiabile...
Bell'articolo Enzo,
ma avrei solo una domanda... Se nel momento dellìinflazione l'Universo ha avuto una velocità che superava quella della luce, che cos'è che poi l'ha frenato fino a fargli raggiungere i 300 mln Km/s? Se esso si espande nel vuoto non dovrebbe incontrare alcun attrito, e quindi mantenere la velocità che aveva al momento dl Big Bang? Spero di non aver detto una cavolata....
Ciao Enzo è un piacere rileggerti e come sempre, grazie ai tuoi articoli, riscoprire la voglia di capire, di conoscere.
Ti leggo solo occasionalmente purtroppo ma quando riesco poi approfondisco perché come giustamente tu dici per capire correttamente bisogna anche avere una qualche conoscenza di fondo.
Ti ringrazio per il tempo che ci dedichi e aspetto con interesse i tuoi prossimi articoli per avere un'idea chiara sulle varie teorie e sulle ultime scoperte.
Attenzione Giorgia! L'espansione dovuta all'inflazione è un'espansione dello spazio-tempo e non vi è nessun vincolo di velocità della luce, che era e rimane sempre la stessa. proprio per questo i due punti A e B non possono più comunicare. In uno spazio-tempo che si espande più velocemente della luce, la luce di A non riesce più a raggiungere il punto B e viceversa. Senza inflazione la luce continuerebbe ad arrivare continuamente e non ci sarebbe l'assurdo di uno spazio omogeneo a distanze tali da non permettere "contatti".
Lo spazio-tempo si è frenato così come capita in tutti i cambiamenti di fase: essi durano un attimo, fino al raggiungimento di una nuova forma relativamente stabile. L'acqua si trasforma in ghiaccio in tempi brevissimi e poi tutto torna tranquillo. L'inflazione è la stessa cosa. E' partita quando le condizioni al contorno (temperatura e non solo) erano quelle critiche, ha effettuato il cambiamento di fase che nel suo caso è stata un'espansione mostruosa, e -infine- si è calmata avendo raggiunto una situazione normale nelle nuove condizioni. Ricordiamoci che siamo nel periodo della separazione delle forze e le condizioni di "stabilità" cambiano drasticamente...
grazie Foscoul! Dedica pure il tempo che puoi... finché riesco sono sempre qui...
NOTA BENE:
mentre pensavo a come stendere la seconda parte, mi sono accorto che sarebbe stata una forzatura descrivere qualcosa senza dare le condizioni di partenza. Ho, quindi, deciso di unificare le due parti e cominciare proprio dall'inizio. Magari ci vorrà più di un articolo, ma penso che il discorso sia più facile (??) da seguire. Ho cambiato corrispondentemente il testo (ma solo per dire che le parti sono due).
Già dalla prossima volta, allora, aspettatevi l'effetto Casimir, il mare di Dirac e il fondamentale principio di Heisenberg che già abbiamo conosciuto... per non parlare di simmetria e supergravità.... Speriamo di non fare confusione...
bella enzo,me lo sono riletto,complimenti davvero,l'hai messo giù da dio...grande articolo.
so che è alquanto improbabile parlare di dimensioni in queste fasi, il tutto è ancora estremamente densissimo,ma non è più una singolarità, si tratta già di dimensioni "reali" a livello macrocosmico,giusto? su che ordini potremmo essere?
si potrebbe dire che stiamo uscendo da un buco nero e percorriamo a ritroso la strada fino all'orizzonte degli eventi(fra 380000 anni) per poi uscirne definitivamente....ci può stare come analogia?
Ciao Enzo stavo pensando se ha senso parlare di velocità di espansione dell'Universo. Quando penso alla velocità mi immagino una macchina che viaggia in autostrada o a un pianeta che rivolve attorno alla sua stella. Nel caso dell'Universo però mi manca il sistema di riferimento.
Caro Enzo,
).
Cominciamo ad andare sul complicato, spero che non sia troppo dura seguirti, anche perché sono passato dal vermentino al canonau e gli effetti si fanno sentire (meglio il vermentino, secondo me...
Se mi passi il paragone molto geologico, mi verrebbe da paragonare l'inflazione alla deriva dei continenti: è stata introdotta per spiegare caratteristiche simili in zone dell'Universo altrimenti irraggiungibili una dall'altra, così come la tettonica a placche aiuta a capire perché si trovano stessi caratteri morfologici, le stesse rocce e gli stessi fossili in zone diverse della Terra, lontanissime tra loro, e ti viene da concludere che una volta dovevano essere unite. Sia chiaro: vuole essere un paragone solo suggestivo, so che è una bestemmia e non mi fucilate per questo.
Ci sono diversi punti che secondo me meriterebbero approfondimento dedicato. Il più importante è la storia del principio di indeterminazione e delle particelle che si creano dal nulla (!!??) e poi si annichilano, perché questa rimane per me la cosa più assurda di tutte: se due particelle nascono dal nulla, non è una violazione del principio di conservazione dell'energia? O è soltanto l'energia che assume una forma diversa (vuoto -> particelle)? Forse i problemi nascono dal fatto che confondo(iamo) il Nulla col Vuoto o da altro, non lo so. E' un argomento che meriterebbe un articolo dedicato da parte tua, restando per quanto possibile a livelli di comprensione umani come sai fare tu...
Il secondo punto sarebbe il discorso sulla piattezza: assumo che ci sia stata l'inflazione, altrimenti non avrei un Universo piatto. Stiamo parlando però di Universo osservabile e "locale" e quindi mi chiedo se altri osservatori in altre regioni lontanissime dell'Universo arriverebbero alle nostre stesse conclusioni. In base al Principio Cosmologico, uno è tentato di rispondere affermativamente ma è solo un'assunzione che noi Homo Sapiens del pianeta Terra abbiamo postulato, non è detto che sia necessariamente vera. L'Universo appare piatto anche ad altri osservatori in altri regioni lontanissime del Cosmo?
Forse la prova più immediata dell'inflazione è che se tutta la materia era concentrata in uno spazio piccolissimo, deve esserci per forza stata un'espansione a velocità inimmaginabile perché altrimenti il tutto sarebbe ricollassato per gravità.
Riguardo al discorso sulle dimensioni citato da Davide, ho letto da più parti che nel tempo di 10exp(-32) secondi, l'Universo si sarebbe espanso dalle dimensioni della lunghezza di Planck (ordini di grandezza più piccola delle dimensioni di un protone) a quelle di un pompelmo. A parte il fatto che vorrei capire perché su tutti i libri viene citato questo pompelmo come una sorta di totem, mi chiedo se per inflazione si intende soltanto quella fase Planck-pompelmo o se è continuata più a lungo.
Come vedi, carne al fuoco ce n'è tanta, forse troppa.
caro Davide,
dici bene! Il paragone con il buco nero ci sta tutto. In realtà, noi viviamo all'interno di un orizzonte che non possiamo valicare, ossia che ci pone un continuo limite alle informazioni che possiamo ottenere. Le dimensioni dell'universo dopo l'inflazione dovrebbero essere dell'ordine di una decina di centimetri, ma il valore (come dici anche tu) è molto aleatorio e potrebbe anche essere di un metro o giù di lì. Ma, in fondo, poco importa... quello che conta è l'espansione che si è avuta nel giro di frazioni infinitesime di secondo (ne parleremo ancora, ovviamente). Comunque sia, si è arrivati al macrocosmo...
caro SMA,
bisogna pensare che è proprio il sistema di riferimento che si espande, ma le cose non si muovono affatto al suo interno e quindi non si va contro il limite della velocità della luce imposto dalla relatività. Il palloncino che si gonfia e due punti disegnati su di lui, rendono molto bene questa situazione... cresce la distanza reciproca, ma nessuno dei due si è mosso fisicamente.
caro Pier,
ottimo paragone, innanzitutto!
1) non si viola il principio di conservazione, perché l'energia totale del sistema è sempre zero. Da qui nasce proprio l'energia negativa di Dirac. Heisenberg ha dimostrato perché può capitare e ne parlerò nella seconda parte.
2) chiaramente non potremmo mai sapere cosa capita al di fuori del nostro orizzonte (per definizione). Tuttavia, lasciami pensare che se il palloncino è proprio un palloncino per qualsiasi universo osservabile possa capitare la stessa cosa. Questo però non pregiudica il fato dell'intero universo, che può richiudersi o allargarsi sempre più. Tuttavia, non potremo mai avere informazioni su ciò che capita al di fuori del nostro orizzonte (a meno che non arrivi un alieno in grado di superare la velocità della luce e ci racconti cosa capita da lui...
). Il discorso della gravità è giustissimo, ma è più limitato di quello espresso dalla piattezza dell'Universo.
3) sulle dimensioni, hai ragione. Si parla sovente del pompelmo o dell'arancia. Diciamo che è una rappresentazione che dà un'idea delle dimensioni finali, ma che potrebbero benissimo essere anche dell'ordine del metro o giù di lì. Come dicevo, contano gli ordini di grandezza che si sono "ingoiati" in una frazione infinitesima di secondo, piuttosto che le dimensioni raggiunte. Sono loro che hanno permesso di superare la velocità della luce al ... pompelmo!
L'inflazione termina rapidamente e poi l'espansione è quella tipica di un universo piatto (sempre che oggi non vi sia veramente una nuova mini-inflazione dovuta all'energia oscura...).
Ho iniziato a scrivere la seconda parte, ma ho ancora qualche difficoltà a cercare di dire tutto senza citare termini poco chiari. Devo ancora studiarci sopra qualche giorno... e limitare al massimo i concetti che non sono descrivibili con relativa semplicità.
Ti prometto, però, che il principio di Heisenberg, applicato al caso che ci interessa, lo inserirò con le buone o con le cattive
Volevo fare qualche domanda più avanti ma visto che ti richiami all'effetto Casimir, al mare di Dirac ed a Heisemberg penso voglia entrare nella fisica delle particelle e nella MQ e provo a fartela adesso.
Come penso tutti i dilettanti appassionati del Big Bang ho letto, ai suoi tempi, 'I primi tre minuti' di Weinberg.
Riesco a capire, in forma molto elementare, la transizione di fase e il fatto che dopo l'inflazione si siano formati i protoni elettroni e protoni: la nostra materia.
Ma il protone è formato da quark UUD, l'elettrone è indivisibile, il neutrone è formato da quark UDD e decade in un protone+un elettrone+un neutrino.
A parte il fatto che ciò comporterebbe che un quark D dovrebbe diventare un quark U+elettrone+neutrino, cosa che penso non capirò mai, ma per formarsi i primi protoni dovevano essersi già formati i quark e gli elettroni.
Ora i quark non sono solo 2 (UD) ma anche CS e TB che sono molto più pesanti e non formano la nostra materia, più i rispettive antiquark.
In tutti i libri sul BB c'è sempre la spiegazione: quando si è formata la materia si è formata anche l'antimateria, ma poiché la quantità di materia era leggermente superiore all'antimateria è rimasta solo quella.
OK i quark si sono annichiliti con gli antiquark ma i quark 'pesanti' che fine hanno fatto? tutta l'energia, e visto che sono pesanti c'è n'era molta che fine ha fatto?
Probabilmente è una domanda stupida ma la faccio ugualmente visto che siamo come una gruppo di amici, con il dovuto rispetto.
Naufragar mi è dolce nel mare di Dirac...
Bello l'esempio di Pier Francesco, anche se le velocità in gioco sono decisamente inferiori..
caro Walter,
purtroppo tu stai andando un po' troppo oltre... Non penso di arrivare mai a parlare diffusamente dei quark e di tutta la fisica delle particelle che, sebbene si riferiscano a vari momenti e transizioni di fase della creazione della materia, sono un campo non solo ostico, ma -a mio parere- non così fondamentale per arrivare ai concetti base dell'evoluzione dell'Universo. Non vorrei che questo blog diventasse troppo specialistico e perdesse di vista il suo scopo che è quello di arrivare a tutti. In ogni modo, non si mai... può anche darsi che un giorno decida di fare il passo verso lo spin, il colore, il sapore e via dicendo.
Per rispondere alla tua domanda, posso solo dirti che i quark pesanti, di generazione successiva, decadono velocemente in quark "classici" e quindi hanno una vita brevissima, cosa che è stata anche provata negli esperimenti... Il fatto che non esistano è, quindi, più che ovvio... (si fa per dire)...
Non volevo minimamente entrare in un campo specialistico che non riuscirei a capire. Volevo solo chiedere perché su tutti gli articoli o libri sul BB si parla sempre solo della formazione di protoni ed elettroni e mai dei quark che visto l'energia in gioco si dovrebbero essersi 'formati' prima dei protoni e sopratutto prima quelli più pesanti che dovrebbero essere decaduti, rilasciando molta energia, in quelli più leggeri.
caro Walter,
è facile (?!) rispondere... perché la zuppa di quark si è formata probabilmente durante l'inflazione quando le fluttuazioni quantiche sono diventate materia. Nessun esperimento di laboratorio può, però, simulare o riprodurre qualcosa del genere. Al limite possiamo produrli partendo dall'alto, ma non dal basso...
Mi permetto di rispondere parzialmente ad una questione posta da Walter, dato che feci la stessa domanda (perché la materia "vinse" sull'antimateria?) al Prof. Bertolucci, Direttore del CERN. Ci sono alcune ipotesi (molto complesse che onestamente esulano dalle mie capacità e non saprei ripetervi) che però messe insieme non riescono a spiegare tutta questa differenza tra la quantità di materia ed antimateria che possiamo misurare. In sostanza è una questione ancora aperta a cui non è stata ancora data una risposta. Mi pare di aver capito comunque che dire "perché ce n'era un pò di più" non sia corretto
Hai ragione SMA... e' un problema aperto che, facilmente, ricade nel più grande problema della rottura della simmetria. La MQ dice: "se una cosa può capitare sicuramente capita". E' comunque una risposta troppo facile e sbrigativa....
Grazie Enzo, bentornato e scorrevole come al solito.
Grande Enzo! Articolo strainteressante! Penso che prima di passare al secondo articolo mi rileggerò un'altra volta questo... Grazie davvero x sto sbattimento che ti fai x tutti noi!
Salve a tutti!!!
Io sono un completo ignorante in fisica, però vorrei cercare un attimo di capire cosa vogliono dire questi argomenti... Nello specifico: La geometria dell'Universo abbiamo detto che è piatta. Ma in che senso? Io per piatto intendo un piano cartesiano, ossia le coordinate di un oggetto possono essere descritte da una coppia di valori (x,y) nel sistema di riferimento, mentre nella realtà abbiamo 3 valori per definire la posizione di un oggetto. Quindi diciamo che non ho capito granché bene questa definizione. Se qualcuno mi potesse spiegare bene il concetto gli sarei veramente grato!
caro Andrea,
non confondere il "piatto" che usiamo tutti i giorni con il "piatto" relativo al tipo di geometria che può descrivere un certo spazio. Uno spazio, come l'Universo, diventa piatto, iperbolico o sferico a seconda del valore della sua curvatura e il concetto di curvatura l'abbiamo affrontato in vari articoli. Non contano le dimensioni dello spazio, ma le regole geometriche derivanti dalla curvatura. Solo in quella piatta (a geometria con curvatura nulla) vale il teorema di Pitagora e due rette parallele non si incontrano mai. Sulle altre due geometrie queste regole non valgono più (pensa alla superficie sferica a due dimensioni, dove le rette parallele si incontrano sempre). Dire Universo Piatto, vuol dire Universo in cui valgono le regole della geometria euclidea, indipendentemente dalle dimensioni che può avere.
Buon giorno professore, leggo solo ora il suo articolo e non ho parole per la semplicità e chiarezza con cui ha descritto un argomento così complesso. Mi premerebbe sapere però come si è calcolato l'espansione dal momento della ricombinazione (380000 anni) ad oggi, cioè le 1300 volte citate nell'articolo. Pur avendo letto tutti i suoi articoli in merito non riesco a dedurlo. La ringrazio anticipatamente.
Guido
caro Guido,
questi sono numeri che derivano dal modello usato e dall'estrapolazione dell'espansione, con tutte le variazioni del caso. Non esiste una formula esatta che ci permetta di sapere le dimensioni dell'Universo che oltretutto si riferisce sempre a quello osservabile, che può essere una piccolissima parte di quello globale che mai potremo conoscere.Io, oltretutto, non sono mai entrato nella descrizione del modello standard, anche perchè oggi dipende fortemente dalla materia oscura con tutti i dubbi del caso. Prendilo come esempio sufficiente a far capire che ci doveva essere stato un "salto" enorme.