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BIG-BANG E RELATIVITA': SOGNO, TEORIA E REALTA'
LA RADIAZIONE SOLARE.
Cosa è un'onda elettromagnetica? Il campo elettrico, cioè il campo creato da una carica elettrica, si comporta esattamente come una calamita. Purtroppo però i due fenomeni elettricità e magnetismo non sono separabili quando la carica elettrica o il magnete sono in movimento: il moto dell'uno genera l'altro. Seguendo uno schema molto semplificato diremo che: gli atomi del Sole si trovano in uno stato di grande agitazione (temperatura superficiale circa 6.000 °K, temperatura interna superiore a 10.000.000 °K), e, poiché essi possiedono cariche elettriche in movimento, generano un campo elettromagnetico variabile che si propaga nello spazio alla velocità della luce. Il Sole si comporta in modo simile ad una calamita G. Nel suo viaggio il campo incontra gli atomi della Terra, i quali a loro volta contengono cariche elettriche in movimento. Queste cariche subiscono le azioni di G e si comportano come calamite rivelatrici a, b, c. Naturalmente le cose non sono così semplici, sia perché le cariche elettriche sul Sole si muovono in tutti i modi possibili, sia perché gli atomi sulla Terra hanno masse diverse tra loro, etc. Il Sole come generatore emette onde di tutte le frequenze e di tutte le lunghezze possibili, secondo lo schema seguente:
La lunghezza d'onda è la distanza fittizia alla quale la calamita si trova di nuovo nello stesso stato (per esempio l max). Questa distanza l non è una vera distanza in quanto si tratta della stessa calamita, ma si ottiene come risultato aritmetico tenendo conto della frequenza f e della velocità di propagazione della luce C:
1) C = l / T 2) 1 / T = f 3) C = l * f 4) l = C / f
La 1) è la classica formula di definizione della velocità: spazio l fratto tempo T; ma 1 / T non è altro che la frequenza e quindi si ottiene la 4). Ricordando che la velocità della luce è C = 300.000.000 m / s, è facile passare dalla scala f alla scala l dello schema riportato in alto.
Lo schema ci dice però anche un'altra cosa molto importante: luce e calore sono la stessa cosa. Si, perché sono entrambi onde elettromagnetiche. Perché quotidianamente diciamo che sono cose diverse, da non confondere? Perché luce e calore producono effetti diversi e sono "rivelati" da strumenti diversi. E' difficile riscaldare le mani con le onde radio, oppure vedere la propria ragazza usando le onde X! Tuttavia è evidente l'unitarietà del fenomeno fisico, dalle onde radio lunghe sino ai raggi g. E' facile convincersi di questo fatto: esistono apparecchi che ci fanno "vedere" usando gli infrarossi; se mettiamo una mano al Sole e l'altra all'ombra, sentiamo più "caldo" dove c'è anche la "luce", ecc. ecc. E' chiaro che non tutti gli atomi della Terra possono reagire allo stesso modo alle azioni delle onde emesse dal Sole. Le onde "luce" agiscono in un modo sulla retina dell'occhio, in altro modo sulle cellule della pelle. Viceversa i raggi ultravioletti non producono l'effetto "vedere" sulla retina, ma agendo sulla pelle di noi mediterranei di origine latina producono l'abbronzatura, ecc. ecc. Come detto prima, il fenomeno emissione è lo stesso, il fenomeno ricezione varia da strumento a strumento (se insieme alle calamite a, b, c appendiamo anche un pezzo di legno, su di esso non accade niente di simile a ciò che accade su di quelle, eppure il campo magnetico è lo stesso).
Nascita del nostro universo: seconda fase
Accanto ai numeri estremamente piccoli che raccontano il tempo, si pongono i numeri estremamente grandi che raccontano le temperature: si comincia da forse (nel primo periodo) più di 1032 °K, a 1028 nel secondo, sino a 109 (un miliardo di °K) all'età di 3 minuti(****). Alla fine dei 3 minuti, il tempo è cresciuto da 0 a 180 secondi e la temperatura è diminuita da 1032 a 109 °K. E' inimmaginabile sia la grandezza della temperatura, sia la violenza dei fenomeni in un così breve lasso di tempo!
Ma proseguiamo ancora un poco. Sono passati 100.000 anni, la temperatura è scesa a 3.000 °K: l'universo è ancora piccolo e soprattutto opaco verso l'esterno (ammesso che ci sia un posto esterno): la luce non riesce ad uscire dallo spazio che si sta formando perché gli elettroni sono liberi e bloccano e deviano i fotoni(*****). Finalmente si formano gli atomi (quasi esclusivamente idrogeno, deuterio e trizio) come li conosciamo oggi: nuclei positivi al centro ed elettroni negativi in periferia(******). La luce può rompere il guscio e iniziare il suo viaggio, che ancora continua liberamente, alla velocità di 300.000 km/s (la luce per fortuna non si stanca!) e darci notizia di ciò che accade. La sfera di 100.000 anni, quando la luce era prigioniera, quella è per noi una sfera opaca: non possiamo vedere niente dentro di essa: con strumenti sempre più potenti potremo indagare il nostro universo sempre più indietro nel tempo, ma arrivati a 100.000 anni dalla nascita potremo solo avere notizie indirette, proprio perché il messaggero, la luce, non poteva uscirne. Avviene cioè come per le porte munite di rivelatori: i metalli non si vedono, chiusi nelle valigie, ma sono scoperti da un altro strumento: nel caso che stiamo esaminando, l'altro strumento è il cervello, non l'occhio, con l'aiuto della sperimentazione.
Un'altra domanda: che fine ha fatto l'energia iniziale? E' ancora tutta chiusa nello spazio che conosciamo(*******), ma ad una temperatura ben più bassa di quella iniziale: 2,75 °K, cioè circa meno 270 °C(********). E' questa la temperatura dello spazio intergalattico, cioè del vuoto fra le galassie. Essa viene detta "fossile" essendo il resto di quella esistente all'inizio dell'espansione. Ma l'espansione è infinita, eterna, oppure finita con un ritorno al punto di partenza? Tutto dipende dalla quantità di materia presente nell'universo: se essa è solo quella che si vede, l'espansione è infinita; se ce n'è altra, per ora non visibile e perciò detta "oscura", allora essa è finita. La materia visibile è solo il 2% di quella necessaria a fermare l'espansione. D'altra parte però, non si spiegano le osservate attrazioni fra le galassie se non supponendo che c'è anche un'altra grande quantità di massa per ora oscura (è stata anche avanzata l'ipotesi che, al centro dell'universo, si crea con continuità nuova massa man mano che procede l'espansione di quella vecchia, come se un fornaio aggiungesse nuova pasta dentro il panettone che lievita, facendolo diventare sempre più grande). In definitiva abbiamo altri due misteri: come fanno le galassie ad attrarsi e qual'è il futuro del nostro universo.
Ci si può anche chiedere quale forma ha l'universo a noi noto. Per rispondere bisogna prima distinguere fra massa ed energia, cioè: la forma è data dai "punti" raggiunti dalla massa o dai "punti" raggiunti dall'energia? In entrambi i casi la forma (immaginando di poter guardare da "fuori") potrebbe essere sferica (potrebbe, perché non sappiamo se l'universo all'inizio dell'espansione era omogeneo ed isotropo(*********) oppure no), ma potrebbe avere qualunque altra forma. Di certo per noi è impossibile accertarne la forma e la misura. Per ottenere simili informazioni dovremmo essere in grado di "vedere" tutto l'universo contemporaneamente e ciò non è possibile. Noi sappiamo che la Terra è grosso modo sferica, ma lo sappiamo attraverso una sperimentazione diretta e attraverso il calcolo. Supponiamo ora di trovarci sul mare e di sapere solo attraverso gli occhi vedendo al massimo alla distanza di 1 km (l'orizzonte, che può darci qualche informazione sulla forma della Terra, si trova a circa 15 km): in tali condizioni potremo dire che ci troviamo su una sfera? Un microbo su un pallone può intuire che il suo universo è sferico? Senza termini di confronto e senza informazioni in contemporanea da diversi luoghi, non è possibile definire la forma: a noi sul mare e al microbo sul pallone sembrerà di essere su un piano.
D'altra parte, quando vediamo con gli strumenti un oggetto distante 1.000.000 di anni-luce, vediamo "ora" ciò che "era" 1.000.000 di anni or sono, ma non sappiamo "cosa è successo" nel frattempo, cioè ancora: vedere più lontano nello spazio per conoscere la forma, significa vedere più lontano nel tempo. E' come con la posta: riceviamo oggi la fotografia di una ragazza giovane e bella, ma la lettera è stata spedita 50 anni fa e probabilmente quella ragazza non è più né giovane né bella o magari è morta! Analogamente: la stella Proxima Centauri potrebbe essere scomparsa da 4 anni e noi non lo sappiamo ancora, il Sole potrebbe essere scomparso da 8 minuti e noi non lo sappiamo ancora, la Luna potrebbe essere scomparsa da 1,3 secondi e noi non lo sappiamo ancora: noi sappiamo ciò che la luce (e l'altra radiazione elettromagnetica) ci racconta quando arriva. Tutto il resto è ipotesi, plausibile di più o di meno, ma ipotesi.
Ci si può anche chiedere: se e quando le masse, finita l'espansione, torneranno indietro per il Big-Crash finale, tornerà indietro anche la luce? Oppure l'energia emessa in tutti i miliardi di anni trascorsi continuerà a viaggiare "in fuori" per sempre? Cioè: l'energia ha vita infinita? Certo la sua "densità", rappresentata dalla temperatura, è destinata a diminuire, ma: diventerà mai zero? E' meglio rispondere: chi vivrà, vedrà! A tutto ciò aggiungiamo che la luce non viaggia sempre in linea retta: essa viene deviata dalla presenza delle masse (lo spazio è curvo intimamente, poiché contiene materia: la geometria euclidea può definire la retta che si allunga all'infinito mantenendo una ed una sola direzione; nella realtà fisica ciò non esiste). Ma se esiste la massa oscura, noi non sappiamo davvero da che parte sono le cose che vediamo: la luce che vediamo davanti a noi, forse è prodotta da una stella che si trova alle nostre spalle, come accade quando guardiamo in uno specchio: ciò che vediamo davanti, è in realtà dietro(**********).
Insomma ci conviene dire: per quel che ne sappiamo oggi, le cose stanno così; però fra uno o mille anni potremmo accorgerci di aver sbagliato tutto. Questo non vuol dire sfiducia nei confronti degli scienziati che hanno elaborato con genio le ipotesi accennate in queste pagine. Vuol dire invece coscienza del fatto che sono ipotesi e fin quando non ci saranno le prove sperimentali (se mai ci potranno essere), ipotesi resteranno. Troppo spesso nel passato le ipotesi sono state smentite dai fatti per poter avere cieca e totale fiducia nelle costruzioni puramente mentali.
(*) L'esattezza qui deve assumere un significato molto particolare. Normalmente una cosa si dice esatta quando la differenza fra il vero e il misurato è minima (o meglio ancora è zero!). Nella fisica la misura vera non esiste, poiché nessun ente superiore ce ne fornisce il valore. Ciò che noi possiamo ottenere sono delle misure più o meno approssimate in funzione degli strumenti e dei metodi adoperati (teoria degli errori di Gauss). Quando le difficoltà di misura sono grandi, si accetta un certo grado di incertezza, rappresentato da una probabilità, dicendo ad esempio: la distanza fra A e B è, col 75% di probabilità, (X +/- a) km. Quando "a" è piccolo rispetto a X la misura si dice buona, altrimenti essa è cattiva. Nel caso della costante di Hubble si può scrivere H = 75 +/- 25. Ciò equivale a dire: il mio tavolo è lungo L = (3+/-1) m. Nessuno accetterebbe per buono dire che il tavolo ha la lunghezza compresa fra 2 e 4 metri! Se però: il tavolo è lontano e si muove a gran velocità in una certa direzione, mentre noi ci muoviamo ad un'altra velocità in un'altra direzione e la misura la facciamo con un binocolo sfocato, bé, allora il concetto di esattezza deve essere allargato e quindi si deve considerare il risultato sinora ottenuto per la costante di Hubble come ottimissimo.
(**) In modo schematico: 1) nulla da dire se non ipotesi più o meno artistiche fra t = 0 e t = 10-43 s; 2) ipotesi e teorie contrastanti fra t = 10-43 e t = 10-35 s; 3) difficile ma non impossibile precisare i fenomeni avvenuti fra t = 10-35 s e t = 3 minuti. Attenzione però: non è detto che il tempo in quelle condizioni, allora, fosse uguale a quello di adesso! Alle alte energie, evidenziate dalle temperature, il tempo si modifica e magari 1/1.000.000 di secondo di allora valeva quanto un secolo di oggi (teoria della relatività di spazio e tempo).
(***) IL VUOTO. Secondo una fantastica e meravigliosa teoria, l'universo non è altro che una fluttuazione (variazione) casuale di un campo di forze sconosciuto e noi siamo fatti (come ineluttabile conseguenza della fluttuazione) in modo da percepire secondo certe modalità (materia, energia) tale campo di forze. In pratica è come per la febbre: la febbre è una manifestazione di una malattia, ma non è la malattia. Quel campo di forze non ha agito solo al momento del Big Bang (in modo grandioso!), ma continua ad agire ancora oggi, per cui anche adesso in ogni punto dello spazio si verificano fluttuazioni che originano materia ed energia (per nostra fortuna in piccole dosi!). Studiando i risultati delle collisioni negli acceleratori di particelle, i fisici hanno proprio osservato il fenomeno della "nascita" di qualcosa là dove "nulla" doveva esserci. Per tentare di spiegare, basta pensare che la forza di gravità non si vede, non si tocca, non è una cosa, eccetera eppure agisce, produce effetti, eccetera. La forza di attrazione gravitazionale costituisce un campo che occupa tutto l'universo e produce effetti in tutto lo spazio. Il misterioso campo di cui si parlava prima, produce (come la gravità produce quella cosa che chiamiamo "peso") materia ed energia, che altro non sono che manifestazioni a nostro uso e consumo di qualcosa che non è. Poiché però anche noi non siamo che materia ed energia, anche noi non siamo altro che "apparenza di qualcosa che non è". Altra conseguenza di tale teoria è che ad esempio il vuoto non esiste, essendo presente in ogni luogo quel campo di forze, che in ogni istante e in ogni luogo può far nascere quelle cose che chiamiamo, erroneamente distinguendole, materia ed energia.
La causa prima di tale fluttuazione è Dio? Oppure il campo stesso è Dio?
Il diametro "normale" degli atomi è di 1 Angstroem (10-7 mm, cioè un decimo di milionesimo di millimetro). Il nucleo ha un diametro 100.000 volte più piccolo, cioè 10-12 mm. Se non ci fossero gli elettroni che con il loro campo elettrico tengono lontani gli altri atomi, la materia potrebbe essere un milione di miliardi più densa, originando ad esempio i pulsar. E' perciò che si dice che la materia come la conosciamo è fatta di vuoto. Per avere un'idea della situazione si può dire: se il nucleo di un atomo diventasse grande come la Terra, gli elettroni si troverebbero 9 volte più lontani del Sole (il diametro della Terra è solo 11.000 volte più piccolo del raggio dell'orbita).
(****) Per ora non siamo in grado di ottenere questi livelli di energia sulla Terra e quindi non possiamo sperimentare.
(*****) I fotoni sono granuli di luce: per certi fenomeni la luce si comporta come se fosse fatta di materia (nuclei di elio).
(******) All'inizio, quando tutto era solo futuro indistinto, c'era tanta materia quanta antimateria; iniziato l'ordine, rimane una sola qualità di materia; l'altra, quella che chiamiamo antimateria (protoni negativi ed elettroni positivi) sopravvive in qualche atomo vagante e viene prodotta con enorme difficoltà sulla Terra (nelle macchine dette acceleratrici di particelle). Niente però vieta di ipotizzare che da qualche parte, lontano, ci siano stelle, galassie, ecc. di antimateria.
(*******) A meno che non ci siano "buchi" verso altri universi.
(********) Naturalmente ci sono punti dove la temperatura è superiore (le stelle). Però è ben difficile che, all'esaurirsi di tutte le stelle, la temperatura diventi molto maggiore di 0 °K. Il valore 2,75 °K è stato prima una ipotesi di calcolo e poi un risultato sperimentale misurato pochi anni or sono attraverso l'osservazione degli spettri di emissione delle regioni "vuote" tra le galassie. Ciò spiega anche perché il cielo notturno ci appare nero, cioè privo di luce, nonostante le stelle siano innumerevoli e riempiano praticamente tutto lo spazio osservabile: la densità di energia è troppo bassa per "riempire" i nostri occhi. Se noi, al buio, osserviamo un pezzo di ferro "freddo", non lo vediamo, cioè anch'esso è "nero". Se la sua temperatura sale sino a circa 500 °C esso diventa sorgente di una luce rossastra che illumina gli oggetti ma non il vuoto (in realtà l'aria) circostante.
(*********) Omogeneo: si definisce così qualcosa che ha la stessa natura o composizione chimica o fisica in ogni suo punto: il diamante è carbonio in ogni suo punto e quindi è omogeneo. Questa definizione ha però un limite nella scala di osservazione: se l'oggetto diamante lo osserviamo alla scala dei cristalli, esso non è più omogeneo poiché in alcuni punti ci sono gli atomi di carbonio, mentre fra di essi c'è il vuoto. Se poi penetriamo nella scala degli atomi la disomogeneità è ancora maggiore: in alcuni punti c'è un tipo di materia (protoni e neutroni), in altri c'è un altro tipo di materia (elettroni), in altri ancora (almeno in prima approssimazione) non c'è nulla (lo spazio fra il nucleo e la nuvola di elettroni, fra gli elettroni nelle diverse orbite, ecc.). Lo stesso accade nel nostro universo (stelle, pianeti, spazio vuoto o quasi fra di loro, spazio intergalattico, ecc.). In modo analogo si può parlare di omogeneità rispetto all'energia presente o assente, di un tipo anziché di un altro.
Isotropo: si definisce così (o al contrario anisotropo) qualcosa che ha le stesse caratteristiche (fisiche, chimiche, meccaniche, elettriche, ecc.) in tutte le direzioni. L'isotropia ha in generale gli stessi limiti della omogeneità, cioè la proprietà dipende dalla scala di osservazione. Inoltre essa può essere modificata dalle condizioni locali, naturali o artificiali. Ad esempio il suono nell'aria si trasmette in modo isotropo, cioè secondo sfere concentriche con la sorgente emettitrice: se però c'è vento o un muro o l'aria è stratificata ecc. il suono si propaga in altri modi, cioè secondo direzioni preferenziali. Anche la luce attraversando alcuni materiali trasparenti si propaga (o non si propaga) diversamente nelle diverse direzioni (polarizzazione) oppure può essere deviata in modo da concentrarsi verso qualcosa (specchi, lenti, ecc.).
(**********) Già più di 100 anni or sono è stata osservata una stella normalmente nascosta dal Sole: durante le eclissi, quando è possibile non essere accecati dalla radiazione visibile, gli astronomi hanno scoperto una stella che si trova geometricamente dietro il Sole.
NOI VEDIAMO LA STELLA NELLA DIREZIONE APPARENTE E, SE LA SEGUIAMO, CI SEMBRA DI PERCORRERE UNA TRAIETTORIA RETTILINEA PROPRIO VERSO LA STELLA: NON CI ACCORGIAMO DI SEGUIRE UNA CURVA PERCHE' E' APPUNTO LA LUCE CHE CI GUIDA A FORNIRCI LE INFORMAZIONI. PER CORREGGERE L'ERRORE NON C'E' ALTRA VIA CHE IL CALCOLO, TENENDO CONTO DELLA CURVATURA RELATIVISTICA DELLO SPAZIO.
In queste condizioni la stella appare sulla Terra in una direzione apparente ben diversa da quella vera. Se le masse interposte fra noi e la stella sono numerose si potrebbe fare l'ipotesi di una rotazione della visuale anche di 180 gradi, per cui si vedrebbe davanti qualcosa che invece è alle nostre spalle.
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