Il mistero di una Origine

Angelo Tartaglia

18/04/2012 2Angelo Tartaglia

Una domanda antica

• Come è cominciato tutto quanto?• Miti e cosmogonie

– Qualcosa esiste da sempre• L’oceano primordiale• Il caos informe

– Qualcosa accade: le forme del mondo “nascono”

2

18/04/2012 3Angelo Tartaglia

La novità biblica

- In principio Dio creò il cielo e la terra.- La terra era informe e deserta e le tenebre ricoprivano l’abisso e lo spirito di Dio aleggiava sulle acque.

Genesi, I,1-2

3

18/04/2012 4

L’universo si amplia

• Cielo e terra (la terra è piatta e contornata dall’acqua)

• Terra e cieli: la terra è tonda e al centro, intorno ruotano i cieli con sole, pianeti e stelle fisse

• Il centro è il sole e terra e pianeti gli ruotano attorno

18/04/2012 5

Secoli: XVIII-XIX-inizi XX

• L’universo non ha un centro• L’universo è una sterminata distesa

di stelle distribuite più o meno uniforme-mente nello spazio

• L’universo è eterno e sostanzialmente immutabile

18/04/2012 6Angelo Tartaglia

Dubbi: il paradosso di Olbers, 1826

Perché di notte il cielo è buio?

6

18/04/2012 7

La “morte termica”

Se il calore passa sempre dai corpi caldi a quelli freddi (secondo principio

della termodinamica) l’universo necessariamente evolve verso uno

stato in cui tutto è alla stessa temperatura e più nulla evolve.

Perché non siamo già nello stato perfettamente omogeneo e

disordinato?

Angelo Tartaglia 7

18/04/2012 8

• Il tempo non è altro rispetto all’universo, ma ne fa parte, come lo spazio e la materia

• Le misure separate di spazio e di tempo dipendono dall’osservatore

• Materia ed energia sono una cosa sola• La materia “incurva” lo spazio-tempo• L’universo è una distesa illimitata e

omogenea di stelle

Einstein e la relatività generale, 1915-16

Angelo Tartaglia 8

18/04/2012 9

Il primo cosmo di Einstein, 1917

• Statico• Illimitato, ma finito (come la

superficie di una sfera)• L’universo risulta instabile: dovrebbe

implodere• Einstein introduce un termine ad hoc

nelle sue equazioni per impedire l’implosione: la costante cosmologica

Angelo Tartaglia 9

18/04/2012 10

Relatività generale e cosmologia

• 1922: Alexander Friedman • 1927: Georges Lemaître

Le equazioni di Einstein implicano che un universo omogeneo e isotropo debba espandersi

Angelo Tartaglia 10

18/04/2012 11

Scoperte astronomiche

• Hubble 1925: le stelle non sono distribuite uniformemente, ma si raggruppano in galassie

Angelo Tartaglia 11

18/04/2012 12

Una tipica galassia

~ 100 miliardi di stelle come il SoleAngelo Tartaglia 12

18/04/2012 13

Guardando in un punto qualsiasi

18/04/2012 14

Edwin Hubble, 1929

• Le galassie si allontanano mediamente una dall’altra con una velocità proporzionale alla distanza.

• L’universo si espande come aveva previsto Friedman e secondo una legge anticipata da Lemaître

Angelo Tartaglia 14

18/04/2012 15

C’è un inizio?

• Andando indietro nel tempo si arriva ad uno stato di densità di energia tendenzialmente infinita

• Il “Big Bang”: Fred Hoyle, 1948, proponendo la cosmologia dello stato stazionario

• Dal Big Bang sono trascorsi circa 13,7 miliardi di anni

Angelo Tartaglia 15

18/04/2012 16

La costante cosmologica viene accantonata

Much later, when I was discussing cosmological problems with Einstein, he remarked that the introduction of the cosmological term was the biggest blunder of his life.   George Gamow, My World Line, 1970

Angelo Tartaglia 16

18/04/2012 17

Big bang e big crunch

• L’universo di Friedman/Le Maître può essere “aperto” o “chiuso”.

Angelo Tartaglia 17

18/04/2012 18

L’espansione continuerà per sempre?

Coi dati attuali sì

Tempo

Fattore di scala

Angelo Tartaglia 18

18/04/2012 19

Fred Hoyle e la cosmologia dello stato stazionario

• Riconosce la legge di Hubble• Ne dà conto introducendo un

“creation field”• L’espansione è compensata da

creazione spontanea e continua di nuova materia nello spazio

• La quantità necessaria, 1 atomo di idrogeno per km3 all’anno, non è direttamente osservabile

Angelo Tartaglia 19

18/04/2012 20

Cosmologia e metafisica• L’ipotesi di Hoyle non è assoggettabile a

verifica diretta• La motivazione della teoria sta in

convinzioni a priori– L’idea della creazione continua è « ... attraente

specialmente quando unita all'obiezione estetica mossa alla creazione di un universo nel remoto passato. Dal momento che è contro lo spirito della ricerca scientifica riferirsi ad effetti osservabili come derivanti da cause sconosciute alla scienza, e questo è ciò che in linea di principio implica la creazione nel passato. »

Angelo Tartaglia 20

18/04/2012 21

Il principio cosmologico perfetto

• Hermann Bondi e Thomas Gold: – Nell’universo non esistono né posizioni

speciali né momenti speciali

Angelo Tartaglia 21

18/04/2012 22

La radiazione cosmica di fondo

• Nel 1964 Arno Penzias e Robert Wilson scoprono un segnale a micro-onde proveniente da tutto il cielo.

• La radiazione corrisponde a quella di un “corpo nero” a 2,725 K (-270,475 °C).

• È quello che ci si aspetta da un gas che si espanda “adiabaticamente” a partire da 3000 K in 13,7 miliardi di anni

Angelo Tartaglia 22

18/04/2012 23

Il cielo a microonde

Temperatura iniziale: ~ 3000 K

Temperatura oggi: 2,725 K

Angelo Tartaglia 23

18/04/2012 24

Le fasi iniziali

• Età del fondo a microonde: ~ 380.000 anni

• La fisica conosciuta arriva fino a circa 10-44 secondi dal “big bang”.

• Prima le teorie esistenti non sono più applicabili

Angelo Tartaglia 24

18/04/2012 25

Le ultime novità

• Adam Riess con un’ampia collaborazione di astrofisici nota che i dati di luminosità delle supernove di tipo Ia suggeriscono che l’espansione dell’universo sia accelerata (1998)

• Ritorna in gioco la costante cosmologica

Angelo Tartaglia 25

18/04/2012 26

L’universo col senno di oggi

Angelo Tartaglia 26

18/04/2012 27

Oggi l’universo (della fisica) è pieno di fantasmi

• La materia “visibile” è circa il 4% del totale

• Si parla di un 23% di materia “oscura”

• Il 73% è energia “oscura”

Angelo Tartaglia 27

18/04/2012 28

Universo e universo visibile

Guardando lontano si guarda indietro nel tempo, non oltre 14 miliardi di anni.

tempo

Noi siamo qui

Cosa c’è qui?

Angelo Tartaglia 28

18/04/2012 29

Universo e statistica

• Se l’universo è infinito ed eterno tutto quello che può accadere, per quanto improbabile, accade.

18/04/2012 30

Universo, universi, multiverso…

Noi

Altre costanti e altre leggi?

Angelo Tartaglia 30

18/04/2012 31

L’universo è tarato su di noi?

• Dicke (1957): 'L'età dell'universo "ora" non è casuale ma condizionata da fattori biologici ... [cambiamenti nei valori delle costanti fondametali della fisica] precluderebbero l'esistenza dell'uomo per considerare il problema.'

Angelo Tartaglia 31

18/04/2012 32

Il principio antropico (forte)

• Carter (1973): "the Universe (and hence the fundamental parameters on which it depends) must be such as to admit the creation of observers within it at some stage. To paraphrase Descartes, cogito ergo mundus talis est."

Angelo Tartaglia 32

18/04/2012 33

Principio antropico e finalismo

• Barrow e Tipler: "The Universe must have those properties which allow life to develop within it at some stage in its history."

• Progetto intelligente?• Il nostro è solo uno di infiniti

coesistenti universi possibili?• Tautologia irrilevante?

Angelo Tartaglia 33

18/04/2012 34

Numeri

• 7 miliardi di esseri umani sulla terra• ~ 100 miliardi di sistemi solari nella

Via Lattea• ~ 100 miliardi di galassie

nell’universo visibile• L’universo non ha nessun centro

Angelo Tartaglia 34

18/04/2012 35

Tiriamo le somme

Siamo proprio piccoli…

Da così

a così

Angelo Tartaglia 35

18/04/2012 36

• Qualcosa l’abbiamo capito• Tantissimo resta da capire• Qualcosa non lo capiremo mai

“Ci son più cose in cielo e in terra,.., di quante ne sogni la tua filosofia…”

Shakespeare, Amleto

Angelo Tartaglia 36

18/04/2012 37

… Quando ponevo le fondamenta della terra, tu

dov’eri?...Chi ha fissato le sue dimensioni … o chi ha teso su di essa la corda per misurare? Dove sono fissate le sue basi …? Hai tu considerato quanto si estende la terra?... Qual è la

strada dove abita la luce e dove dimorano le tenebre …?

Giobbe, 38, …

Angelo Tartaglia 37

18/04/2012 38

Egli mi diede la vera nozione delle cose, sapere l’ordine dell’universo e la virtù degli elementi, … i cicli annuali e la posizione delle stelle, la natura degli animali e gli istinti delle bestie … quanto è nascosto e palese… la sapienza, artefice di tutto, me lo insegnò

Sapienza, 7, 17-21

Angelo Tartaglia 38