LA SECONDA DOMANDA DI LEIBNIZ

E IL BIG BANG

di Ugo Amaldi

Sintesi di Rosa Maria Mistretta

• 1.a domanda di Leibniz (1646 -1716):

<< Perché esiste qualcosa anziché il nulla?>>

• 2.a domanda di Leibniz:

<<… supposto che delle cose debbano esistere, bisognapoter spiegare perché esse debbano esistere così enon altrimenti. >>

• domanda che secondo gli scienziati si traduce in:

<< Come, evolvendo per 14 miliardi di anni, l’Universoha dato origine alla varietà e alla diversità dei sistemiche oggi lo compongono? >>

• Il punto di partenza per spiegare l’eterogeneitàdell’Universo è 400.000 anni dopo il Big Bang

• I fisici teorici stanno lavorando ad una Teoria delTutto (TOE), che mira ad integrare i costituentifondamentali della materia e i quattro tipi di forzacon cui interagiscono (forte, elettrica, debole,gravitazionale) in un quadro coerente…

… ma non basta

LE RADICI DELL’ETEROGENEITA’ DEI SISTEMI FISICI E BIOLOGICISONO DA RICERCARSI IN:

1. LE ROTTURE DI SIMMETRIA

2. L’EVOLUZIONE CAOTICA DEI SISTEMI DINAMICI NON LINEARI

3. LA RICCHEZZA COMBINATORIA DEGLI ELEMENTI CHIMICI

4. LA SELEZIONE NATURALE DELLE MUTAZIONI

5. LA SIMBIOSI E LA COOPERAZIONE TRA ESSERI VIVENTI

1. ROTTURE DI SIMMETRIA

IL CONCATENARSI DI 5 ROTTURE DI SIMMETRIA HA DATO ORIGINEALL’UNIVERSO DEI 400.000 ANNI, piccolo e ordinato:

1. Simmetria di traslazione

2. Simmetria particella-antiparticella

3. Simmetria delle 4 forze fondamentali: divergenza della forzagravitazionale

4. Simmetria delle 4 forze fondamentali: divergenza della forza forteda quella elettrodebole

5. Simmetria delle 4 forze fondamentali: divergenza della forzadebole da quella elettrica

OGNI ROTTURA DI SIMMETRIA PRODUCE DIVERSITA’ E QUINDI PUO’ ESSERE CONSIDERATA ‘CREATIVA’

Un masso sferico in equilibrio sul crinale di un monte è in posizione simmetrica rispetto alle

valli che sono alla sua destra e alla sua sinistra. Una piccola perturbazione può farlo scivolare da

una parte o dall’altra, rompendo l’iniziale simmetria.

2. L’EVOLUZIONE CAOTICA DEI SISTEMI DINAMICI NON LINEARI

• SISTEMI DINAMICI HANNO EVOLUZIONI CHEDIVERGONO ESPONENZIALMENTE CON ILTEMPO QUANDO SI CAMBIANO, ANCHE DIPOCHISSIMO, LE CONDIZIONI INIZIALI.

• L’AZIONE DEI COMPONENTI DEI SISTEMI E’DESCRIVIBILE MATEMATICAMENTE DAEQUAZIONI DETERMINISTICHE NON LINEARI

3. LA RICCHEZZA COMBINATORIA DEGLI ELEMENTI CHIMICI

• MOLTI MILIARDI DOPO IL BIG BANGL’ATTRAZIONE GRAVITAZIONALE ESALTO’ LEFLUTTUAZIONI DI DENSITA’ NEI GASIDROGENO E ELIO FORMANDO UNA RETE DIFILAMENTI:

PROTOGALASSIE => PRIME STELLE => GALASSIE

A sinistra, la fusione di nuclei leggeri in nuclei più pesanti all’interno di una stella: due nuclei di elio si fondono a formare un nucleo di berillio, che a sua volta si fonde con un altro nucleo

di elio e dà origine a un nucleo di carbonio. A destra, la struttura a strati di una stella, una volta che siano

accadute tutte le possibili reazioni nucleari di fusione e sia praticamente esaurito il combustibile nucleare.

Quando l’energia liberata nei fenomeni di fusione comincia acalare, per mancanza di combustibile nucleare, la stella siraffredda e l’attrazione gravitazionale, non più contrastatadall’agitazione termica, causa un rapidissimo collasso.

Per raggiungere questo stadio una stella grande tre volte il Soleimpiega circa dieci miliardi di anni, ma le prime stelle eranomolto più massicce e collassarono gravitazionalmente dopoappena qualche centinaio di milioni di anni.

Le esplosioni di queste supernovae dispersero nello spaziointerstellare gli elementi presenti nelle stelle, dall’idrogeno alferro, e nella stessa esplosione si produssero enormi flussi dineutroni che, catturati dai nuclei di questi elementi leggeri,diedero luogo, dopo una complicata catena di decadimenti, atutti gli altri elementi dal ferro fino all’uranio, il cui nucleocontiene 92 protoni, che costituiscono il Sistema Solare e laTerra.

ABBONDANZE COSMICHE DEGLI ELEMENTI CHIMICI

IL DIAGRAMMA DI HERTZSPRUNG-RUSSEL (1911) indica la relazione tra tipi spettrali e magnitudine stellare

4. LA SELEZIONE NATURALE DELLE MUTAZIONI5. LA SIMBIOSI E LA COOPERAZIONE TRA ESSERI VIVENTI

• “Dall’evoluzione prebiotica alla sintesi delle clorofille” di Rosa Maria Mistretta

http://www.biosferanoosfera.it/it/articoli

BREVE STORIA DELL’UNIVERSO

• Prima del Tempo di Plank:1. il plasma opaco di particelle cariche, ad altissima

temperatura, si espandeva raffreddandosi (nelgiorno universale dura 2 secondi e mezzo)

• Dopo i 400.000 anni si ebbe un cambiamentoprofondo e definitivo:

1. occorsero ben 1013 secondi, 400.000 anni, perchégli elettroni si legassero a formare atomi di idrogenoed elio, con minuscole percentuali di deuterio(0.01% in massa) e litio (0,000 000 01%)

2. la Temperatura scese al di sotto dei 3.000 gradi ( unmilionesimo di MeV) con formazione di atomi di H(75%)e He (25%) neutri: volume era 1.000 volte piùpiccolo dell’attuale e diametro = 1019 km.

La distribuzione di temperature della radiazione cosmica di fondo nella volta celeste:

le zone più scure corrispondono a una temperatura di circa 0,05 gradi inferiore a 3000 gradi, mentre alle zone

più chiare è associata una temperatura di circa 0,05 gradi superiore.

Le diverse epoche evolutive dell’Universo a partire dal Big Bang e i rispettivi stati di aggregazione della materia, fino allo

sviluppo delle galassie e, infine, della vita cosciente.

L’immagine riassume gli eventi principali che hanno fatto sìche il mondo sia come oggi ci appare.

Il tempo di Planck, che vale 10–43 secondi, è il tempominimo per il quale ha senso cercare di costruire una Teoriadel Tutto.

Prima di esso, le quattro forze avevano tutte la stessaintensità e i loro mediatori, che hanno masse molto piùpiccole delle energie in gioco nelle collisioni, sicomportavano tutti nello stesso modo.

L’Universo era simmetrico e aveva dimensioni non moltopiù piccole di quelle delle ipotetiche stringhe.

La scena cosmica è stata dominata da due fenomeni:

– l’inflazione cosmica;

– l’espansione cosmica.

Durante l’ inflazione cosmica il diametro è cresciuto dialmeno 1040 volte e tutte le disomogeneità primapresenti sono state appianate, come accade a unpalloncino di gomma vuoto, e quindi raggrinzito, cheviene improvvisamente gonfiato.

Dopo l’inflazione, il plasma cosmico, alla temperatura dicirca 1017 MeV, aveva ovunque la stessa composizione edensità, perturbato soltanto da quelle piccolissimefluttuazioni che, 400.000 anni dopo, sono diventati isemi delle galassie.

L’epoca di espansione cosmica, continua e lenta, ècominciata dopo l’inflazione ed è ancora in atto; anzi,negli ultimi 2-3 miliardi di anni essa ha subìtoun’accelerazione.

Rappresentazione dell’allontanamento delle galassie mediante la metafora del palloncino.

Quando il palloncino-universo viene gonfiato, i coriandoli che vi sono attaccati si allontanano tra

loro: man mano che il suo volume aumenta, cresce anche la distanza tra i coriandoli-galassie.

•Al tempo di Planck(10–43

secondi)l’Universo avevaun diametro più piccolodi quello di un protonediviso per l’enormefattore 1020 e si trovava auna temperatura di 1022

MeV, pari a 1032 gradi.

•Al tempo dell’inflazionel’intensità della forzaforte aumentò e quelladella forza elettrodebolediminuì: è la secondarottura di simmetria,indicata come «rotturaforte».Dopo circa 10–34 secondil’inflazione terminò el’Universo, con diametrodi un centimetro, iniziòad espandersi molto piùlentamente.

I primi istanti di vita del cosmo e la successione delle rotture di simmetria che hanno portato alla

differenziazione delle quattro forze fondamentali.

Dopo circa 10–12 sec lesuperparticelle (e le loroantiparticelle) cessarono diessere ricreate per mancanzadi energia nelle collisioni. Leparticelle supersimmetriche,instabili, decadderorapidamente in particelle chenon possono ulteriormentedecadere per mancanza dienergia. Restarono soltantosuperparticelle neutre stabili, i«neutralini» e, secondo ilmodello Supersimmetrico,sono ancora oggi presentinell’Universo. La loro ricerca èuno degli obiettivi dellasperimentazione all’LHC.

• Quando la temperatura scese sottoi 106 MeV, la simmetria si ruppe, e lemasse delle particelle non furono piùtrascurabili rispetto all’energia diagitazione termica e particelle eantiparticelle cessarono di muoversialla velocità della luce.

Da allora la diversità delle massedomina i comportamenti di tutte leparticelle.

• Quando il tempo universale passò i10–10 secondi, tutti i bosoniintermedi scomparvero perché,decaduti in particelle più leggere,non potevano più essere ricreatinelle collisioni per mancanza dienergia. Dopo 10–10 secondi ilplasma cosmico era quindi compostodi elettroni, di quark leggeri epesanti, delle loro antiparticelle, digluoni e di fotoni

•Ogni volta che una particellacollideva con una sua antiparticella,la massa scompariva: era l’epocadella grande annichilazione, nelcorso della quale l’energia di massadelle particelle-materia si trasformòin energia trasportata dai fotoni.

•Come è accaduto che l’antimateriascomparisse, lasciando un Universosolo di materia? La spiegazione èquella proposta nel 1967 dal fisicorusso A. Sakharov: all’epoca dellagrande annichilazione, nel plasmacosmico vi erano 1.000.000.001protoni ogni 1.000.000.000antiprotoni, di modo che un soloprotone sopravvisse mentre unmiliardo di protoni si annichilavanocon un miliardo di antiprotoni.

Andamento della temperatura dell’Universo nei suoi primi400. 000 anni di vita e i diversi stati di aggregazione dellamateria che corrispondono alle diverse temperature.

(Plasma di particelle prossime alla velocità della luce/protoni, nuclei ed elettroni)

Andamento della temperatura dell’Universo durante il suo primo secondo di vita e i diversi stati di aggregazione della materia che

corrispondono alle diverse temperature. Sono indicate anche le epoche del cosmo esplorate dai diversi acceleratori realizzati al CERN, fino all’attuale LHC, entrato in

funzione nel 2010.

Le quattro forze (o interazioni) fondamentali con cui interagiscono in natura i costituenti della materia.

La forza «forte» tiene legati i quark a formare i protoni e ineutroni e appiccica i protoni ai neutroni in quel corpocompatto che chiamiamo «nucleo atomico».La forza «elettrica» lega gli elettroni negativi ai nuclei positivied è anche la causa dell’emissione, da parte di un atomo, diun pacchetto di energia elettromagnetico, di solito indicatocon il simbolo γ (gamma). Si tratta di un «fotone» di luce chetrasporta una piccola energia, qualche milionesimo di MeV.La forza «debole» causa, nel fenomeno della radioattività , ildecadimento di un quark in un quark più leggero, in unelettrone e in un neutrino.La forza «gravitazionale» tra due particelle-materia ètalmente debole da non avere alcun effetto. Ma quando sitratta di corpi che sono fatti da un numero enorme di atomi (ilSole e la Terra, ad esempio) gli effetti si sommano e la forzaglobale è tanto grande da tenere insieme il sistema solare e lestelle a formare una galassia.

Due elettroni che si avvicinano l’uno all’altro interagiscono attraverso la forza elettrica cambiando direzione di moto.

Questa interazione è interpretata, in meccanica quantistica, come lo scambio di una particella-forza tra i due elettroni che

funge da mediatrice, emessa da un elettrone e riassorbita dall’altro.

Nel caso della forza elettrica, la particella-forza mediatrice è il fotone .

La tabella indica le caratteristiche delle forze.Con il termine “accoppiamento”, grandezza

indicata con il simbolo α (alfa), si misura sostanzialmente la probabilità

che la particella-materia emetta una particella-forza.

•I quark sono tenuti insieme dalla forza forte, che èdovuta allo scambio di «gluoni»

•La forza gravitazionale è mediata dallo scambio diparticelle-forza di massa nulla, i «gravitoni», e il suoaccoppiamento è piccolissimo

•la forza debole ha lo stesso accoppiamento della forzaelettrica (α = 0,01) e ciò indica che devono esserestrettamente connesse, ma i suoi tre mediatori hannomasse enormi, a differenza del fotone che ha massa nulla.

Questa stranezza dice che la forza debole è poco intensanon perché l’accoppiamento sia piccolo, ma perché la suaazione si estende su piccole distanze, quali sono ledimensioni di un protone, invece che fino all’infinito,come accade per la forza elettrica.

• Da cosa nasce questa asimmetria?L’ipotesi alla base è che tutto l’Universo siaattraversato da un’entità diffusa e impalpabile dettacampo scalare oppure, dal nome di uno dei fautoridel modello, campo di Higgs.Questo campo è presente nello stesso modoovunque, sia dove la materia è più densa sia neglispazi bui che separano le galassie. Esso deveesistere sin dal tempo del Big Bang.La teoria è affascinante ma non c’è stata confermasperimentale, perché la ricerca è ancora in pienosvolgimento.Gli esperti ritengono che la risposta si avrà entro il2012.

I costituenti fondamentali della materia e le particelle subatomiche o compongono gli atomi oppure sono

prodotte nei decadimenti dei loro nuclei.

La materia ordinaria che interviene in tutti ifenomeni terrestri e celesti è fatta soltanto diquattro tipi di particelle-materia fondamentali:il quark u, il quark d, l’elettrone negativo e– e unelettrone neutro e0, che è chiamato «neutrino».

Gli atomi sono fatti di u, d, e–.

Nel fenomeno della radioattività, un neutrino èemesso insieme a un elettrone nel decadimentodi un quark in un quark più leggero.

La teoria delle stringhe, non ancora sperimentalmente confermata, descrive i costituenti fondamentali della

materia come piccolissime corde vibranti: i diversi modi di vibrazione delle cordicelle danno origine ai differenti

tipi di particelle (quark, elettroni).

Nella «teoria delle corde quantistiche», detta «teoriadelle stringhe» (Green 2000), le particelle vanno pensatecome infinitesimi anellini che possono vibrare in modidiversi, così come una corda di violino può emettere notedistinte. Ogni modo di oscillazione appare come unaparticella differente: in un caso un elettrone, in un altroun quark.

Le dimensioni delle stringhe sono le più piccole permessedal necessario mescolamento della meccanica quantisticacon la gravitazione einsteniana: 10–33 cm.

Date le loro ridottissime dimensioni, non fa meravigliache quando le stringhe sono rapportate alle dimensioni diun protone, che è un miliardo di miliardi di volte piùgrande, esse appaiano puntiformi.

Per ognuna di queste particelle esiste un’altraparticella, che è detta la sua «superparticella».

Tutte le particelle soddisfano una simmetria cosìelegante da meritare il nome di «SuperSimmetria»(susy).

Le particelle supersimmetriche, se esistono, devonoavere masse maggiori di 100.000 MeV, tanto grandiche le energie liberate nelle collisioni del LEP,predecessore di LHC al CERN, non erano sufficientia produrle.

Ma l’energia dell’LHC è dieci volte maggiore e moltifisici sono convinti che almeno una di questeparticelle sarà scoperta al CERN in qualche anno.

Will the LHC find supersymmetry?http://physicsworld.com/cws/article/news/45182

Gli anelli dei diversi acceleratori realizzati al CERN a partire dagli anni Cinquanta.

Oggi LHC occupa la galleria sotterranea che una volta ospitava il LEP e gli anelli più piccoli funzionano da stadi

di accelerazione preliminari prima di immettere le particelle nell’anello più grande.

La tabella seguente riassume la progressione in energia, cioè in temperatura, degli acceleratorientrati in funzione negli ultimi cinquant’anni e mostra come, con questistrumenti sempre più grandi e potenti, i fisici siano riusciti a ricostruire i fenomeniche avvenivano nel plasma cosmico sempre più indietro nel tempo, fino allafrontiera dell’LHC: un milionesimo di milionesimo di secondo (10–12 secondi).

CMS, uno dei quattro rivelatori posizionati sull’anello di LHC.

È al centro dei quattro rivelatori che le particelle, accelerate le une contro le altre in versi opposti lungo

l’anello, vengono fatte collidere: in questo modo vengono osservati i prodotti delle collisioni realizzate ad

altissime energie.

SUPERSIMMETRIA