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5/10/16

4. La freccia del tempo: entropia e Big Bang

Link ai capitoli precedenti.

La ragione per cui l’entropia cresce durante la nostra vita è perché l’Universo è iniziato con uno stato di bassa entropia, incredibilmente bassa rispetto a quella che poteva essere.

Il sistema solare non è sempre stato un sistema isolato, è il prodotto dell’evoluzione di una nube protostellare che aveva un’entropia minore rispetto al sistema planetario che ha generato (la formazione di strutture è un processo irreversibile che va dal passato al futuro e rappresenta un aumento di entropia). La nube veniva dalla galassia primordiale, che aveva un’entropia ancor più bassa. La galassia primordiale, a sua volta, si è formata dal plasma primordiale, caldo ed omogeneo, che aveva un’entropia ancora inferiore.

La spiegazione ultima della freccia del tempo, quindi, dipende in maniera cruciale dalla bassa entropia dell’Universo primordiale. Per cominciare la nostra analisi, vediamo com'è il nostro Universo.

A lungo gli astronomi hanno creduto che la “galassia” e l'Universo fossero la stessa cosa, immaginavano che la Via Lattea fosse un raggruppamento di stelle isolato in uno spazio altrimenti vuoto. Negli anni ’20 Edwin Hubble riuscì a misurare la distanza della nebulosa M33, trovando che si trova ad una distanza molto maggiore di qualunque stella e si scoprì che l’Universo è pieno di galassie, nel nostro universo osservabile ve ne sono circa cento miliardi.

Hubble osserva la galassia che cambiò per sempre la cosmologia
Hubble osserva la galassia che cambiò per sempre la cosmologia

Hubble fu uno dei più grandi astronomi della storia, nel 1917 si trasferì in California al Mount Wilson Observatory, dove poté utilizzare il telescopio Hooker, nuovo di zecca. Con quel telescopio Hubble osservò stelle variabili in altre galassie e riuscì a determinare per la prima volta la loro grande distanza dalla Via Lattea.

Nel 1929, confrontando gli spostamenti verso il rosso delle galassie con le distanze che aveva misurato, scoprì che più le galassie erano lontane, più velocemente si allontanavano: è la cosiddetta legge di Hubble.

Insita in questo semplice fatto sta una conseguenza molto profonda: non ci troviamo al centro di una grande migrazione cosmica, nell’Universo non esiste una posizione privilegiata, un punto dal quale tutto si sta allontanando. Le galassie non si stanno muovendo affatto, è lo spazio che le separa ad espandersi. Le galassie che sono sufficientemente lontane da non essere legate dalla mutua attrazione gravitazionale si allontanano le une dalle altre.

L’Universo è uniforme su larga scala ed è in espansione, ipotizzando che il numero di atomi dell’Universo rimanga costante, la materia diventa sempre più rarefatta. Tornando indietro nel tempo, possiamo immaginare che vi sia stato un inizio incredibilmente caldo e denso, il Big Bang (è importante sottolineare che il Big Bang si riferisce ad un istante nella storia dell’Universo, non ad un posto o ad un punto particolare nello spazio).

Ma cosa c’era prima del Big Bang? Ad essere sinceri, al momento, non lo sappiamo. La relatività prevede che l’Universo evolva verso una configurazione, in cui la curvatura dello spazio-tempo e la densità della materia sono infinite, in cui la relatività stessa non vale più. La maggior parte dei fisici pensa che per capire cosa possa essere successo nei primissimi istanti sia necessaria una teoria quantistica della gravità, ovvero una teoria che unifichi la meccanica quantistica alla relatività generale.

L’Universo ha avuto inizio in uno stato incredibilmente caldo e denso, in seguito lo spazio si è espanso e la materia si è diluita e rarefatta. Il modello del Big Bang è ben compreso dal punto di vista teorico e suffragato da cumuli di dati osservativi.

Quando l’Universo aveva circa 1 minuto di vita era un reattore nucleare in cui protoni e neutroni si fondevano in nuclei di elio ed altri elementi leggeri, in un processo detto nucleosintesi primordiale. Possiamo misurare dalle osservazioni l’abbondanza di questi elementi nell’Universo ed ottenere uno spettacolare accordo con quanto prevede la teoria del Big Bang.

Un’altra conferma ci arriva dalla radiazione cosmica di fondo. L’Universo primordiale era caldissimo ed emetteva molta radiazione energetica. Inoltre era opaco, in quanto era abbastanza caldo da non permettere agli elettroni di legarsi ai nuclei atomici, lasciandoli quindi liberi di muoversi nello spazio. Ma ad un certo punto la temperatura si abbassò al punto di intrappolare gli elettroni ai nuclei, circa 380.000 anni dopo il Big Bang. Da quel momento l’Universo divenne trasparente, permettendo alla luce di viaggiare senza ostacoli fino ad oggi.

Il modello del Big Bang fa una predizione molto forte, il nostro Universo dovrebbe essere pervaso da una radiazione a microonde proveniente da tutte le direzioni, un residuo fossile proveniente dell’epoca in cui era caldo e denso. Questa radiazione fu osservata nel 1965 nel New Jersey da due radioastronomi, Penzias e Wilson, che vinsero il Premio Nobel nel 1978.

Su scale molto grandi, circa 300 milioni di anni luce, l’Universo è omogeneo, ovvero ha lo stesso aspetto ovunque, questo è evidente soprattutto nella radiazione cosmica di fondo, anche se la temperatura cambia impercettibilmente da un punto all’altro, e queste fluttuazioni sono chiamate anisotropie.

Queste variazioni di temperatura riflettono lievi differenze nella densità di materia da un punto all’altro dell’Universo primordiale. Queste lievi differenze, su scala più piccola, sono state amplificate dalla gravità, che ha trasformato queste minuscole fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo nelle galassie e nelle strutture che vediamo oggi.

Il modello del Big Bang presenta una curiosa asimmetria fra spazio e tempo: mentre per lo spazio non esiste un luogo privilegiato, per il tempo esiste un istante privilegiato, il Big Bang appunto.

Alcuni cosmologi verso la metà del ventesimo secolo notarono questa netta distinzione e si misero alla ricerca di modelli alternativi. Nel 1948 tre astrofisici di punta, Bondi, Gold e Hoyle proposero il modello dello stato stazionario.

Dal punto di vista moderno, questo modello è in disaccordo con i dati osservativi e con la loro interpretazione più logica. L’ultima cosa che ci si aspetterebbe da un modello in cui la temperatura dell’Universo rimane costante è una radiazione fossile che indica un inizio caldo.

Nella cosmologia dello stato stazionario c’era ancora una freccia del tempo, l’entropia infatti cresceva indefinitamente. Ma in un Universo del genere la spiegazione della bassa entropia iniziale costituirebbe un problema insormontabile.

Nel futuro l’Universo si espanderà per sempre. Nel 1998 gli astronomi pensarono di ripetere ciò che aveva fatto Hubble molto tempo prima, ma con un livello di precisione molto maggiore.

Due gruppi di astronomi (in USA e Australia) misurarono le velocità di recessione delle galassie con una precisione mai avuta prima (osservando le supernove di tipo Ia) e scoprirono non solo che l’Universo si sta espandendo, ma che sta anche accelerando. Questa è una sorpresa, in quanto se pensiamo ad un Universo in espansione, la velocità dovrebbe diminuire a causa della mutua attrazione gravitazionale tra le galassie. Quello che sta succedendo non lo sappiamo con sicurezza, ma esiste una teoria che funziona molto bene e che molto probabilmente è corretta.

Le osservazioni ci dicono che la maggior parte dell’energia nell’Universo non è affatto in forma di “materia”, e questa teoria prevede l’esistenza di una energia nello spazio vuoto, l’energia oscura (o energia del vuoto, o costante cosmologica). Circa il 73% dell’Universo è costituito da energia oscura, costante nello spazio e nel tempo, ed il suo effetto è di impartire un impulso perpetuo all’espansione, ed è per questo motivo che adesso l’Universo sta accelerando e non si contrarrà nel futuro.

Immaginiamo l’Universo dopo 1 secondo dal Big Bang, era caldo e denso.

universo

380.000 anni dopo il Big Bang si raffredda e diventa trasparente, noi vediamo la radiazione cosmica di fondo con le sue infinitesimali variazioni di temperatura.

Oggi siamo dominati dalle stelle e galassie, ma se aspettiamo fino a 10^{15} anni tutte le stelle moriranno ed avremo nane brune, nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri.

Anche i buchi neri non dureranno in eterno, infatti negli anni ’70 Stephen Hawking teorizzò che i buchi neri emettono radiazione, evaporano a causa della teoria quantistica dei campi. Quindi anche i buchi neri perderanno massa e di sfalderanno in particelle che si sperderanno nell’Universo in espansione.

Dopo 10^{100} anni tutti i buchi neri saranno evaporati in particelle ed avremo solo uno spazio vuoto, per sempre.

Se il futuro dell’Universo è questo, noi viviamo in un periodo davvero particolare, visto che la nostra era è calda e confortevole, mentre la maggior parte della storia dell’Universo è cupa e ostile, in uno stato di alta entropia, stabile ed in equilibrio, non c’è freccia del tempo.

Una delle sfide della cosmologia moderna è spiegare perché il Big Bang iniziò in una configurazione finemente calibrata di bassa entropia ma è una questione ancora aperta.

Continua...

 

 

4 commenti

  1. Gianni Bolzonella

    Non ho capito molto bene il fatto che spazio è tempo sono asimmetrici,se sono nati insieme e viaggiano insieme,e si stiracchiano sorpassandosi a vicenda...e sono,sono?come due facce della stessa medaglia.Poi c'è l'ultima parte di questa lezione,quando resterà solo lo spazio.Mi pare di avere capito che lo spazio è creazione,e che comunque è generato dall'energia(il verbo),se si scioglie la materia allora rimane solo l'energia sotto altre forme,visto che non si distrugge.Un lenzuolo stirato senza pieghe o grumi.O se sparisce l'energia allora sparisce anche quello che noi chiamiamo spazio?Ma questo non ha logica concettuale,se qualcosa è esistita allora esiste ancora sotto altre spoglie.Il nulla non può esistere,forse lo spaziotempo diventa tutto tempo o tutto spazio o semplicemente non abbiamo ne l'immaginazione ne l'intelligenza per capirlo. 8-O

  2. Supermagoalex

    Ciao Gianni,

    Bondi, Hoyle e Gold pensavano che questa netta differenza tra uno spazio uniforme (non esiste un "su", o un "giù", "destra" o "sinistra") ed invece un tempo con un istante privilegiato ed una direzione, rappresentasse un problema per il modello del Big Bang e quindi si misero alla ricerca di teorie alternative, nella fattispecie il modello dell'universo stazionario, che si basava sul "principio cosmologico perfetto", secondo cui nell'universo non esistono istanti o luoghi speciali.

    Il nostro universo si sta evolvendo verso uno stato di alta entropia, e probabilmente tra 10^{100} anni (anno più anno meno :-D ) avremo solo uno spazio vuoto, in cui non esisterà una freccia del tempo perché regnerà l'equilibrio termico.

     

  3. Gianni Bolzonella

    Sicuramente l'universo stazionario è logico e a mio parere meno criticabile.L'equilibrio termico finale no.Un Universo così dinamico come il nostro se diventasse così segnerebbe la fine di quello dove esiste il movimento,la trasformazione,il verbo ( non parlo di religione),allora o esistono altre realtà o qualcuno dovrebbe spiegare perché è nato quello che vediamo e anche quello che non vediamo,non riesco a concepire come dal niente o nulla assoluto possa nascere qualcosa.Mi pare di avere capito che una costante di questo mondo è la trasformazione.Fra 10 alla cento anni esisterebbe solo lo spazio perché il tempo si ferma,allo zero assoluto? Senza tempo,immobile,morto.Grazie Alex per la tua pazienza :-D

  4. Supermagoalex

    In un universo che raggiunge la massima entropia tutto è immobile... esisteranno però sempre delle impercettibili fluttuazioni quantistiche, dalle quali si ipotizza la nascita di nuovi universi... ma lo vedremo nei prossimi articoli  :-P

    Prima che Enzo mi fulmini ( :mrgreen: ) è bene precisare che si tratta di teorie molto speculative, anzi più che teorie le definirei predizioni che probabilmente non saranno mai verificate.

     

     

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