Dalle particelle elementari al big bang

Materie:Appunti
Categoria:Filosofia

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Testo

Elio Di Cato, Andrea Armando
Dalle particelle elementari al big bang

Indice:
-Definizione di big bang
-Descrizione del big bang come singolarità all’inizio dell’universo
-Caratteristiche dell’universo primordiale
-Analisi e descrizione delle particelle presenti nell’universo primordiale
-Teorie alternative
-Teorie sull’evoluzione dell’universo originato dal big bang

Per big bang si intende la singolarità (cioè il momento in cui le leggi fisiche che governano il nostro mondo cessano di esser valide) che diede origine al nostro universo. Il big bang viene descritto dalle teorie fisiche come un’enorme esplosione che proiettò tutta la materia che prima coesisteva in un unico punto nello spazio circostante. Questo “unico punto” è ciò che si definisce propriamente singolarità: aveva densità e curvatura spazio-temporale (predetta dalla relatività di Einstein) infinita.
I fisici assumono come “data di nascita” dell’universo il momento del big bang in quanto anche se fosse esistito qualcosa prima di esso non saremmo comunque in grado di conoscerlo per le ragioni sopraccitate.
Subito dopo il big bang, trascorso un tempo pari a 10 E-43 secondi, la temperatura dell’universo era pari a 10 E32 gradi: le forze elettromagnetica, debole e forte erano indistinte e l’unica materia esistente era costituita da coppie di particelle e antiparticelle che continuamente si annichilivano e si formavano liberando energia sotto forma di radiazione. Questa radiazione nelle prime fasi dell’universo doveva essere talmente intensa che alcuni scienziati supposero che alcune tracce di essa dovessero essere ancora presenti nell’universo contemporaneo: in effetti nel 1965 Penzias e Wilson, due tecnici telefonici americani, provando un apparecchio rivelatore di microonde trovarono quella che fu poi identificata dai fisici come la traccia della radiazione primordiale, che fu poi definita “radiazione fossile”: questa scoperta fornì una conferma della teoria del big bang e nel 1978 venne attribuito ai due scopritori il premio Nobel.
Dopo un tempo di 10 E-34 secondi l’universo aveva una temperatura di 10 E27 gradi: la forza elettromagnetica e quella nucleare debole restano unite, mentre si è differenziata quella nucleare forte. La materia era composta da un insieme di quark e gluoni ancora troppo energetici per potersi legare.Si trovano in questa fase i bosoni W+,W- e Z, le particelle portatrici dell’interazione nucleare debole la cui esistenza fu poi dimostrata dall’esperimento di Carlo Rubbia che negli anni novanta usando il LEP riuscì a ricreare condizioni simili a queste.
E’ in questo periodo che si suppone che la materia abbia preso il sopravvento sull’antimateria determinando la composizione del futuro universo. Con il progetto LHC (large hadron collider) del Cern si spera di riuscire a riprodurre una situazione identica a questa.
A 10 E-10 secondi la temperatura è scesa a 10 E15 gradi; tutte e quattro le interazioni fondamentali sono separate. L’energia è abbastanza bassa da permettere ai quark di formare i primi protoni e neutroni trasformando il primordiale plasma di particelle in un gas di adroni. Durante questo periodo la concentrazione di antimateria cala vertiginosamente e l’energia minore non permette più la creazione di particelle W+,W- e Z.
Dopo un secondo dal big bang la temperatura cala ulteriormente a 10 E10 gradi; dopo 3 minuti è pari a 10 E9 gradi e si formano i primi nuclei di elio e litio.
Bisognerà però aspettare 300000 anni per permettere la formazione dei primi atomi di idrogeno, deuterio, elio e litio: la temperatura è pari a 6000 gradi. La materia si comincerà ad aggregare dopo un miliardo di anno formando le prime stelle e le prime galassie. L’universo nel complesso continua ad espandersi e a raffreddarsi ma in regioni più dense è possibile che l’espansione venisse limitata da un’attrazione gravitazionale maggiore: questo fatto deve avere permesso in alcune zone la ricompattazione della materia, che unita alle forze gravitazionali esercitate su queste zone dal resto della materia esterna deve aver causato la nascita di un lento moto rotatorio. Con l’aumentare della riconcentrazione della materia, questo moto rotatorio si è accelerato, per la conservazione del momento angolare (lo stesso fenomeno per cui, ad esempio, una ballerina che vuole aumentare la sua velocità di rotazione racchiude a sé le braccia). Quando poi le dimensioni furono abbastanza ridotte da permettere l’equilibrarsi della velocità di rotazione con l’attrazione centripeta, nacquero le prime galassie.
Oggi, 15 miliardi di anni dopo, la creazione ha formato milioni di galassie ognuna di esse formata da miliardi di stelle.
La teoria del big bang, anche se ormai è in pratica universalmente accettata, lascia comunque parecchi interrogativi e presenta alcuni contrasti con le leggi fisiche attuali: ad esempio non si riesce a spiegare come mai il processo produttivo di materia si sia imposto su quello distruttivo. Infatti anche se alle alte temperature che caratterizzavano i primi istanti di vita dell’universo è ragionevole supporre che le particelle si muovessero con energia e velocità elevatissime, scontrandosi frequentemente e dando così origine a tantissime altre coppie di particelle e antiparticelle, per cui alla fine sarebbe risultata una produzione maggiore dell’annichilazione, questo processo dovrebbe invertirsi col passare del tempo e quindi col diminuire della temperatura: le particelle che entrassero in collisione avrebbero energie minori e quindi produrrebbero coppie di particelle e antiparticelle in minor misura. Questo avrebbe dovuto determinare la prevalsa della distruzione sulla produzione. Al di là di contraddizioni come queste la teoria del big bang è oggi accettata dalla maggior parte della comunità scientifica. Tuttavia esistono altri tentativi di spiegare l'origine dello stato attuale dell'universo mediante teorie scientifiche. Sembrano, comunque, avere meno peso di quella del Big Bang. Eppure, ultimamente, pare che il modello che noi abbiamo qui esposto presenti dei punti deboli che stanno facendo tornare alla ribalta altri tentativi.Queste nuove teorie le formuliamo a partire da una pubblicazione di John Boslough, esperto in fisica e cosmologia che vanta nella sua prefazione l'aiuto e l'apporto di quasi duecento scienziati ed esperti, tra cui parecchi nomi famosi. L'autore si propone di sminuire la sicurezza del modello scientifico del Big Bang, alla quale – egli afferma – sono stati dedicati molti articoli e libri noncuranti dell'insorgere di alcune scoperte che la rendevano invece precaria e insicura: "Nuove osservazioni astronomiche hanno contraddetto quasi tutte le teorie esistenti sulla formazione delle galassie, l'anello cruciale nella storia dell'universo”. A mettere in crisi il modello del Big Bang, dalla fine degli anni '70 alla fine degli anni '80, fu la scoperta che la "mappa stellare" dell'universo da noi osservabile non corrisponde ad aspettative coerenti con lo sviluppo previsto dal Big Bang. La costruzione di telescopi più potenti e l'apporto di nuovi programmi di computer ha facilitato queste scoperte. Per esempio, una fra le principali scoperte della metà degli anni ottanta fu che le galassie erano sparse su immense strutture simili a bolle, di centinaia di milioni di anni-luce di diametro. Questo fatto induceva a pensare che, alla scala di vaste regioni dello spazio, l'universo avesse una composizione grumosa: questo contraddiceva il modello del big bang. generalizzato . Un'altra osservazione problematica veniva dalla constatazione dell'esistenza di enormi spazi vuote tra questi ammassi di galassie (troppo grandi per quanto prediceva il modello del big bang). Le reazioni degli scienziati non furono molto favorevoli, anzi, la cosa fu praticamente ignorata. Anche la scoperta che alcune galassie di un gruppo locale si muovevano verso la terra anziché allontanarsene non destò troppi problemi. Si arrivò a ipotizzare l'esistenza di una spaventosa quantità di materia non visibile (oscura) che stava causando tali spostamenti peculiari e la si chiamò "Grande Attrattore”.Queste obiezioni al modello del Big Bang sono praticamente il risultato di un'osservazione più potente e dettagliata del cielo, grazie a nuove macchine, e va tenuto presente che se se ne avessero a disposizione di più sofisticate ancora il panorama potrebbe nuovamente essere diverso e quindi spingere a nuove considerazioni.
In particolare accettando come valido il modello del big bang, si è tentato di prevedere qual è il destino del nostro universo. Tre sono le supposizioni che vengono considerate: la prima considera l’energia scaturita dal big bang talmente elevata da permettere all’universo di espandersi indefinitamente. La seconda prevede invece che a un certo punto la spinta di espansione derivata dal big bang e l’attrazione gravitazionale si pareggeranno, rendendo l’universo stabile e immobile.La terza (la più accreditata) prevede invece che al big bang seguirà un big crunch: a un certo punto della storia dell’universo, cioè, l’attrazione gravitazionale sarà superiore alla spinta di espansione, e condurrà l’universo a una contrazione. Questa contrazione andrà avanti fino a far di nuovo coincidere l’universo intero con un punto di densità e di curvatura infinite: una nuova singolarità dalla quale potrebbe,secondo le congetture più ardite, prendere vita un nuovo universo, in un moto ciclico eterno.

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