Il grande nulla

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Il risultaro sarebbe un “buco” nella distribuzione delle galassie e nella radiazione cosmica di fondo, scoperto alcuni anni fa. Lo riporta un articolo apparso su Focus (N°185). La scoperta del grande vuoto, situato a 8 miliardi di anni luce da noi, nella costellazione di Eridano, è avvenuta lo scoso agosto. Inizialmente l’aveva annunciata un gruppo di ricerca guidato dall’astromono Lawrence Rudnick, grazie all’ausilio dei dati raccolti dall’osservatorio di Socorro nel New Mexico (USA) e dallo Sloan Digital Sky rvey, che sta ricostruendo la più dettagliata ricostruzione riguardante la posizione delle galassie nell’universo. Quello che ha subito stupito gli esperti sono le dimensioni del “buco”, avente un diametro stimato a circa 900 milioni di anni luce, troppo grande per essere spiegato con le attuali teorie cosmologiche. Le teorie più accreditate infatti sostengono che i “semi” dei grappoli delle galassie e gli spazi “vuoti” che oggi esistano nel cosmo, furono prodotti subito subito dopo il Big Ban, quando l’universo era un torbido vuotoa qui zone di energia maggiore si alternavano a zone di energia minore che mutavano nel tempo. Queste fluttuazioni di energia furono esaltate da un periodo di velocissima espansione chiamato “inflazione”, che le proietto su scala cosmica: nelle zone più dense si sono formate le galassie, in quelle meno dense i “vuoti”. Oggi la radiazione di fondo che permea tutto lo spazio è misurabile alle microoonde, contrariamente a un tempo quando l’universo molto più compresso e caldo misurava una radiazione di fondo a frequenze nettamente più elevate a quelle odierne. Curiosamente, il satellite della NASA Wmap ha notato un area anomalain questa radiazione proprio in corrispondenza al grande vuoto: li la temperatura è del 20/45% più bassa rispetto alla media di circa -270°C. È la conseguenza di una flutuazzione originale? Si direbbe la teoria “standard”, ma la probabilità di una tale flutuazione è statisticamente troppo bassa secondo alcune versioni. Alcuni scenziati infatti ritengono che ptrebbe essere la prova dell’esistenza di altri universi al di fuori del nostro, arrivando a questa ipotesi grazie all’ausilio della moderna teoria delle superstringhe che si propone come obbiettivo l’unificazione di tutte le leggi della fisica. e si basa sul fatto che tutti i mattoni della materia, dai quark agli elettroni, siano costituiti da minuscole corde o brane vibranti (1:10(35) metri). L’intepretazione della teoria delle superstringhe prevede che il nostro universo non sia l’unico esistente. Secondo alcuni calcoli potrebbero esistere addirittura 10X10(500) universi, un numero composto da 500 cifre insomma, molto maggiore del numero degli atomi che compongono il nostro stesso universo 10X10(80). Ma dove si trovano questi mondi? Oltre i confini vesibili del nostro cosmo, sospettano gli scenziati. I nostri telescopi infatti raggiungono solo una porzione liimitata dell’intero universo, quella contenuta entro tale orizzonte, i nostri strumenti non possono osservare oltre semplicemente perchè la luce di quello che c’è oltre non ha ancora avuto il tempo di raggiungerci. Nonostante questo si possono fare alcune ipotesi: l’universo potrebbe estendersi così com’è fino all’infinito, oppure potrebbe estendersi per una zona relativamente ampia per poi cambiare struttura. Potrebbe esserci oltre la sfera celeste visibile ai nostri strumenti altri universi in cui le leggi fisiche sono diverse. Dove ad esempio la luce è più veloce o più lenta; oppure dove le forze elettriche sono più deboli, mentre quelle nucleari sono più forti o viceversa. In tali universi non potrebbero nemmeno esistere gli atomi come li conosciamo noi, ma ci potrebbero essere altre strutture che nemmeno ci possiamo immaginare. In definitiva secondo alcuni scenziati, fu proprio il contatto tra il nostro universo e un’altro di questi mondi paralleli a creare il grande vuoto, anche nella radiazione cosmica di fondo. L’interazione tra i due mondi sarebbe avvenuta in un particolare stato primordiale dal quale sarebbero nati il nostro e altri universi, ciò avrebbe creato una sorta di legame fantasma tra i due universi, un legame che tutt’oggi permette loro di percepirsi l’un l’altro anche da lontano. Tale legame permane per sempre , anche se l’inflazione spinse il nostro universo a espandersi velocemente, esso mantiene ancora l’impronta con il suo vicino. Ma in che modo? Il contatto con l’universo parallelo, dunque, lasciò un segno visibile ancora oggi: produsse una spinta antigravitazionale repulsiva (previsto dalla relativià generale di Albert Einstein) che fece diradare la materia e rese più difficile la formazione delle galassie, per questo erano già prevedibili giganteschi buchi di 500 milioni di anni luce di diametro e ciò concorda perfettamente con la scoperta di un grande vuoto largo circa 900 milioni di anni luce di diametro. Secondo Mersini Houghton e Tomo Takahasci, fisici alla Saga University del Giappone, il grande vuoto appena scoperto dovrebbe avere un gemello nel pinto del cielo diametralmente opposto, nell’emisfero d, poichè il contatto tra gli universi deve averli fatti vibrare in un certo senso, come membrane di tamburo. In una membrana per intenderci se si da un colpo in un determinato punto, si crea una vibrazione che si riflette anche nel punto opposto rispetto al centro. Tutto ciò potrebbe finalmente spiegare perchè nel nostro universo si siamo potute sviluppare la vita e l’intelligenza. Molti scenziati infatti hanno notato che basterebbe cambiare anche di pochissimo le costanti fisiche (come la velocità della luce; la carica elettrica dell’elettrone; la forza di gravità) per distruggere le condizioni favorevoli che hanno portato allo sviluppo della vita.

Non c’è da stupirsi dunque che alcuni universi mermettano l’esistenza di creature come noi, sarebe come andare in un negozio di abbigliamento avente una scelta enorme, non vi sturireste di trovare il capo che vi calza a pennello. Amettendo che gli universi paralleli esistano, riusciremo mai a vederli? Forse si, almeno quelli più vicini a noi, potrebbe rivelarsi nel futuro remoto, tra centinaia di miliardi di anni, quando la luce proveniente dalle frontiere del nostro universo avrà avuto il tempo di raggiungerci. Ma potrebbero anche esistere universi completamente disgiunti dal nostro. Potremmo far parte di un multiverso infinito ed eterno al cui interno sbocciano nuovi domini, che germogliano in nuovi universi i cui orizzonti non si sovrappongono mai. Le possibilità sono pressochè infinite, non si può escludere che le costanti fondamentali, come la gravità, possano abbracciare tutti i possibili valori, e quindi si può ipotizzare l’esistenza di universi che seguono cicli vitali di durata assai diversa. Alcuni come il nostro potrebbero espandersi per molto più di 10 miliardi di anni, altri potrebbero essere nati morti o ricollassare in breve tempo. In alcuni di essi potrebbero non esistere la gravità, in altri potrebbe essere così intensa da schiacciare qualsiasi oggetto abbastanza grande da poter evolversi in un organismo complesso. Altri ancora potrebbero avere un numero di dimensioni diverse dalle 3 che conosciamo molto bene. Potrebbero in somma verificarsi tutte le possibilità compatibili con le leggi fisiche. Di certo molte di più (forse infinite) di quelle concepibili dai “soli” 100 miliardi di neuroni del nostro cervello. I 4 tipi di universi paralleli: 1 moltimondi: una prima idea naque 50 anni fa dagli studi di Hugh Everett sulla meccanica quantistica. In ogni istante teorizzò Everett, laa storia dell’universo di dirama in una miriade di direzioni deverse, tutte reali. È come se lanciando un dado, si creassero 6 universi, uno per ciascuno dei possibili risultati. Oppure come se due persone si incontrano, seguendo il corso di eventi casuali, dassero vita a 2 universi: uno in qui si sposano, l’altro in qui si perdono di vista. 2 a bolle: il nostro universo potrebbe essere solo uno dei tenti che nascono da una sorta di fluido primordiale in ebollizione. Ogni mondo potrebbe avere le sue leggi fisiche, e i vari universi potrebbero forse essere collegati da tunnel spazio-temporali. Quest’idea fu proposta negli anni ‘80 dal fisico Alan Guth, docente al Massachusetts Istiture of Thecnology di Cambridge (USA), sulla base della teoria dell’inflazione, secondo la quale l’universo nei suoi primissime fasi di vita, un espansione iperaccellerata. Nella sua forma originale, la teoria di Guth è oramai superata, ma l’idea delle bolle-universo è stata ripresa da teorie più recenti. 3 membrane: questo ipotesi nasce nell’ambito della moderna teoria delle superstringhe, secondo qui la materia è composta da minuscole corde vibranti in uno spazio di 11 dimensioni (10+1), dunque 7 in più dallo spazio 3 D a noi noto (più la dimensione temporale). Le stringhe potrebbero essere agregate a membrane 3 D (o più) immerse in uno spazio molto più ampio (iperspazio), ogni membrana è un universo distinto. Alcuni scenziati ritengono che il Big Ban che ha dato origine al nostro universo sia stato originato tra uno scontro tra due o più membrane. 4 ramificazione: secondo un’altra ipotesi, gli universi possono nascere gli uni dagli altri creando una sorta di multiverso infinito a forma di “albero”. Ci sono diverse teorie che prevedono questa possibilità. La prima ideata da Andrei Linde, fisico all’università di Stanford (USA), prevede che gli universi “figli” nascano dalle fluttuazioni dello spazio vuoto dell’universo genitore. Mentre secondo Lee Smolin, fisico all’università di Waterloo (USA), invece, le porte d’ingresso per altri universi paralleli sono i misteriosi buchi neri. Peccato che che volesse andare a verificare, non potrebbe più tornare indietro.

Tratto da: FOCUS N°185

Dopo aver spiegato le teorie cosmologiche, tratte da un’interessante articolo apparso questo mese su FOCUS, riporto la storia del nostro universo, dall’origine dei tempi: La storia dell’universo secondo la tesi ad oggi più accreditata nella comunità scientifica si può far iniziare con un evento spiegato dalla «teoria del Big Bang», espressione questa coniata dallo scienziato George Gamow. Secondo tale teoria l’universo, durante la sua nascita, da un punto di infinita densità si sarebbe espanso autogenerandosi (una metafora molto usata, sebbene impropria, per descrivere questo fenomeno è quella di una colossale esplosione), fenomeno questo detto “Big Bang”. Una delle prove a sostegno di questa ipotesi è la radiazione diffusa che ancora persiste dall’ipotetico inizio dell’universo. Lo stato della materia prima del Big Bang non è descrivibile in termini fisici, trovandosi essa in uno stato chiamato dai fisici “singolarità”. Mentre le ipotesi sul futuro dell’universo variano dall’espansione illimitata ad un fenomeno oscillante di espansione-contrazione, possibile conseguenza di un universo chiuso, niente è dato sapere sul prima del Big Bang: probabilmente il tempo è nato in quel momento. L’interpretazione sulle origini dell’universo rischia di passare dalla fisica alla filosofia: si susseguono, infatti, molteplici ipotesi, partendo da quella di una colossale contrazione gravitazionale fino ad una teoria secondo la quale l’universo sarebbe nato da un buco nero, secondo la quale si prospetta l’esistenza non solo del nostro ma di altri universi, teoria ancora tutta da verificare. Prima dell’elaborazione della risposta della scienza al problema dell’origine dell’universo, era la cosmogonia quell’ambito della conoscenza che si poneva interrogativi intorno a questo genere di problematiche con le sue elaborazioni filosofico-religiose radicate nella mitologia.

13,7 miliardi di anni fa: ha luogo il Big Bang che segna la nascita dell’Universo. 10-43 secondi dal Big-Bang: più precisamente è a questo momento che, secondo le conoscenze attuali, si può far risalire la nascita dello spazio-tempo così come lo conosciamo. (Era di Gut o della grande unificazione) 10-6 secondi dal Big-Bang: Era degli adroni. 10-4 secondi dal Big-Bang: Era dei leptoni. Arrivati a questo punto della storia dell’universo la tempertura è di circa 1 trilione di gradi. 1 secondo dopo il Big-Bang: la temperatura è di 10 miliardi di gradi Celsius. 100 secondi dopo il Big-Bang: la temperatura è di 1 miliardo di gradi. 1 milione di anni dopo il Big-Bang: la temperatura è di 300-400 mila °C. Si forma il primo atomo, l’atomo di idrogeno costituito da 1 protone e 1 elettrone. 1 miliardo di anni dopo il Big-Bang: forse, ma è una delle informazioni più discusse della cosmologia, si producono le condensazioni delle galassie (protogalassie) e inizia la formazione delle stelle. 10 miliardi di anni fa: formazione della nostra galassia, la Via Lattea. 5 miliardi di anni fa: nasce il sistema solare e quindi anche la stella che noi chiamiamo Sole. 4,5 miliardi di anni fa: formazione del pianeta Terra. 4-3,5 miliardi di anni fa: sulla Terra compaiono le prime forme di vita. 65 milioni di anni fa compaioni i primi anenati dell’uomo. Riportando la teoria tratta da Focus, facevo spesso riferimento allo spazio vuoto (il grande nulla), ma cosa si intende per spazio vuoto? Uno spazio vuoto è uno spazio dove ai nostri occhi appare come tale, ma realmente non lo è a tutti gli effetti. Infatti in natura nel nostro universo non esiste il vuoto assoluto, ma bensì il vuoto relativo, questo perchè se potessimo asservare con un microscopio uno spazio apparentemente vuoto, ci potremmo accorgere che anche questo spazio come tutto il resto dell’universo su scale ultramicroscopiche, apparirebbe colmeto da una massa caotica e in fermenti, chiamata: schiuma quantica. Tutto l’universo su scale ultrapiccole si presenta in questo modo.

Inoltre oggi sapiamo bene che al di fuori della nostra atmosfera non vi è uno spazio vuoto, ma bensì una concentrazione gassosa molto meno densa, all’interno della magnetosfera, data dall’interazione con il vento solare e il campo geomagnetico terrestre. Oltre la magnetosfera i gas divengono ancore più rarefatti, stiamo perlando del vento solare che permea lo spazio interplanetario fino ai confini del sistema solare (Heliosphere) Fuori dal sistema solare invece troviamo dei gas ancora più rarefatti rispetto al vento solare, ossia i gas interstellari, mentre infine al di fuori della nostra galassia si riscontrano lievissime concentrazioni gassose grazie alla presenza dei gas intergalattici, il tutto senza considerare che lo spazio anche più profondo viene perennemente attraversato dalle radiazioni facenti parte dello spettro elettromagnetico (fotoni). Il 99% della materia presente nell’universo, si trova allo stato di Plasma/Magnetoplasma (parzialmente o totalmente ionizzato) che tutt’oggi viene considerato come il quarto stato della materia.

Al di fuori dell’universo invece cosa troviamo? Qui entra in gioco la fisica teorica con svatiate ipotesi: alcune delle quali spiegate in questo TREAD, almeno per quanto concerne quelle inerenti le teorie degli universi paralleli. La versione più accreditata dalle quattro esistenti: oggi all’interno della comunità scentifica, riguarda la versione formulata dalla teoria delle superstringhe, che descrive gli universi come membrane, immaginiamo di avere a che fare con un libro costituito da infinite pagine, ogni pagina corrisponde a un’universo distinto ma parallelo con gli altri. Secondo la descrizione di Michio Kaku, un fisico artefice della teoria delle superstringhe: vi sarebbero infiniti universi membrana a svariate forme e dimensioni, che potrebbero intersecarsi interagendo con il nostro (in una delle dimensioni a noi oscure). Tale versione prevvede l’esistenza di universi molto più vicini di quello che possiamo immaginarci, alcuni dei quali più vicini della nostra stessa pelle. Ma allora come mai non possiamo raggiungerli? Perchè secondo la teoria si espanderebbero in dimensioni diverse dalle 3 dimensioni a noi note, insomma: universi potrebbero nascere dal nostro stesso universo, per espandersi in una o più dimensioni a noi oscure (che sono 7 per la M-Theory), senza che noi non ce ne accorgiamo nemmeno poichè ciò non interagirebbe in alcun modo con le 3 dimensioni visibili ai nostri occhi. Impressionante direi , ciò mi lascia pensare che un mondo avente caratteristiche ambientali completamente diverse da quelle a noi visibili si possa trovare proprio qui accanto a me a distanze strettissime nelle nostre 3 dimensioni visibili, se non lo posso vedere è semplicemente perchè questo si interseca o si espande in dimensioni diverse da quelle che i mei sensi possono percepire… con questa teoria tutto ciò che si possa immaginare potrebbe esistere anche se i nostri occhi non possono vederlo. Nulla di più affacinante… In definitiva possiamo affermare che secondo la versione della M-Theory, potremmo vivere in un’universo finito, ma allo stesso tempo privo di confini. Un’utopia? No, è la teoria del multiverso… Ma la teoria delle stringhe come la sua interpretazione del multiverso potrà mai essere provata in futuro? Secondo molti fisici SI, ma solo indirettamente, quando entrerà in funzione l’accelleratore di Cern a Ginevra (CH), nel 2013 se non ricordo male. Cern è un organizzazione per la ricerca nucleare, è il più grande laboratorio del mondo che studia la fisica delle particelle. Uno stabilimento situato ad ovest di Ginevra (CH) vicino al confine con la Francia. Qui i fisici cercano di esplorare i segreti della materia e delle forze che regolano l’universo. La convenzione che istituiva il CERN fu firmata il 29 settembre 1954 da 12 stati membri, mentre oggi fanno parte del CERN 20 stati membri più alcuni osservatori anche extraeuropei. Il CERN esiste soprattutto per fornire ai ricercatori gli strumenti necessari per la ricerca in fisica delle alte energie attraverso complessi esperimenti. Questi strumenti sono principalmente gli acceleratori di particelle, che portano nuclei atomici e particelle subnucleari ad energie molto elevate e i rivelatori che permettono di osservare i prodotti delle collisioni tra fasci di queste particelle. Ad energie sufficientemente elevate, i prodotti di queste reazioni possono essere radicalmente differenti dai costituenti originali dei fasci, e a più riprese sono state prodotte e scoperte in questa maniera particelle fino a quel momento ignote. Gran parte del lavoro che viene svolto oggi al CERN è finalizzato alla costruzione del Large Hadron Collider (Grande collisionatore di adroni) e alla preparazione degli esperimenti collegati. Il progetto dovrebbe essere completato e operativo nel maggio 2008[1]. L’acceleratore viene costruito all’interno dello stesso tunnel circolare di 27 km di lunghezza in precedenza utilizzato dal LEP (Large Electron Positron collider), che ha smesso di funzionare nel novembre 2000. Il complesso di acceleratori PS/SPS verrà utilizzato per pre-accelerare i protoni che in seguito verranno immessi nell’LHC. Il tunnel si trova a 100 m di profondità in media, in una regione compresa tra l’aeroporto di Ginevra e i monti Giura. Cinque diversi esperimenti (CMS, ATLAS, ALICE, LHCb e TOTEM) sono in fase di costruzione, ognuno di essi studierà le collisioni tra particelle con metodi diversi e facendo uso di tecnologie differenti. Al momento della collisione, l’energia raggiunta all’interno dell’LHC sarà di 14 TeV. L’acceleratore necessiterà di un fortissimo campo magnetico per mantenere il fascio nella traiettoria dei 27 km e sarà utilizzata la tecnologia dei superconduttori. La progettazione dell’LHC è un lavoro che richiede una precisione straordinaria basti pensare ad esempio che è necessario tenere conto dell’influenza della forza di attrazione gravitazionale esercitata dalla Luna sulla crosta terrestre e dei disturbi elettrici provocati dal passaggio dei treni in superficie ad un chilometro di distanza.

Ma come potrà essere sperimentata la teoria? Anche per le superstringhe persiste la necessità scientifica ed il desiderio di confrontarsi con la realtà. Uno spiraglio è dato dagli esperimenti in fase di allestimento al CERN di Ginevra, dove un acceleratore ad anello (LHC) porta in collisione particelle che viaggiano a velocità prossime a quelle della luce, e dove 4 enormi occhi (gli esperimenti ATLAS, CMS, ALICE, LHCB), rivelatori di quanto viene prodotto negli urti, potrebbero forse mettere in evidenza alcune delle particolarità spazio-temporali e di gravità quantistica previste dalle teorie di superstringa. Una breve spiegazione del prefisso super: esso fa riferimento a una ipotetica simmetria nascosta della natura (la super-simmetria appunto), che si è resa necessaria, sempre per motivi di consistenza, in una prima formulazione delle teorie di stringa (all’inizio sono nate come banali stringhe!) e che costituisce uno strumento importante di modellizzazione anche in altri settori della fisica teorica, in particolare della fisica delle particelle elementari (al di la’ del modello standard). Per rimanere nell’ambito di una fisica ’super’ non solo teorica ma anche sperimentale, conviene evidenziare che gli esperimenti al CERN potrebbero, tra le tante altre cose, ‘vedere’ questa ‘recondita armonia’ della natura (per l’importanza delle simmetrie in natura, nel discorso scientifico in generale e nell’arte. Ma quella delle superstringhe è una teoria che dopotutto non potrà mai essere sperimentata direttamente, ecco perchè più che una teoria resta un modello, per quanto valido possa essere.

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