Teorie dell'origine dell'Universo, Big Bang, lo spettro della luce, l'effetto Doppler. prof.ssa Cristina Galizia, www.arringo.wordpress.com

1. Il fuoco primordiale e l’origine dell’universo
L‟origine dell‟Universo e con esso della vita è da sempre uno dei temi più cari alla scienza, alla
religione, alla filosofia e alla letteratura: questo perché il rispondere alla domanda «Chi siamo?»,
«Da dove veniamo?» e «Dove andiamo?» è per l‟Uomo di fondamentale importanza: già i filosofi
greci avevano parlato di arkhè, ovvero di „principio o sostanza originaria‟.
L‟interesse, dunque, verso l‟origine dell‟Universo è molto antica, ma solo all‟inizio del „900 si
fecero strada delle teorie scientifiche che misero in dubbio la:
– teoria dello stato stazionario (o di Hoyle): fu formulata da H. BONDI, T. GOLD, F.
HOYLE nel 1948. Si basava sul principio cosmologico perfetto, sostenuto per molti secoli
dagli scienziati, secondo il quale l‟universo è sempre stato fondamentalmente uguale a se
stesso, non ha avuto origine, né evoluzione, anche se al suo interno vi si verificano
cambiamenti circoscritti e limitati:
Universo =
La teoria dello stato stazionario riflette la preoccupazione di dover pensare a un inizio
dell‟Universo e soprattutto a un prima dell‟Universo, per i quali bisogna pensare a fenomeni fisici
ancora ignoti.
In realtà l‟Universo non è sempre stato uguale a se stesso, ma è e sarà sempre in continua
evoluzione: pertanto ha avuto un‟origine, uno sviluppo e presumibilmente una fine. A questa
conclusione si arrivò nel 1929, quando lo scienziato Hubble fece un‟importantissima scoperta: egli
riuscì a dimostrare che le galassie si stavano allontanando l’una dall’altra e che pertanto
l’Universo stava evolvendo.
Come fece a capirlo?
Egli analizzò la lunghezza d‟onda della luce proveniente dalle galassie.
La luce, al pari del suono, si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche:
Se la luce proveniente da un determinato corpo viene scomposta tramite un prisma, essa
non appare più bianca, ma si scompone appunto a ventaglio e se ne possono analizzare
tutti i colori che la compongono: dal rosso (la maggiore lunghezza d’onda, onde meno
frequenti), attraverso l’arancione, il giallo, il verde al blu e al violetto (lunghezza d’onda
minore, maggiore frequenza d’onda). Lo spettro della luce proveniente da una lampadina
ad incandescenza sarà così:
(Colora sfumando in parti uguali con il rosso, l’arancione, il giallo, il verde, il blu e il violetto)
Ogni elemento che emana luce ha un proprio spettro: ecco come fanno gli scienziati a
sapere molte cosa sulla composizione dell’Universo pur non avendolo mai … visto da
vicino.
luce
sorgente lunghezza d’onda
Prof.ssa Cristina Galizia
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2. Hubble notò che lo spettro della luce proveniente dalle galassie più lontane presentava tutte le sue
componenti spostate verso il rosso, cioè verso l’estremità dello spettro in cui si trovano le onde
con la lunghezza maggiore.
(Colora più della metà con il rosso, l’arancione; il resto con il giallo, il verde, il blu e il violetto)
Se la lunghezza d'onda della luce di queste galassie era grande, questo voleva dire che la galassia si
stava allontanando dal punto di osservazione. Questo fenomeno prende il nome di effetto
Doppler.
Effetto Doppler
Se la sorgente che emana luce si avvicina al ricevente, la lunghezza d’onda è minore e lo
spettro avrà tutte le sue componenti spostate verso il blu
Se la sorgente si allontana la lunghezza d’onda sarà maggiore e lo spettro avrà le sue
componenti spostate verso il rosso.
L’effetto Doppler è noto ed evidente per i suoni: se la sorgente di un suono si allontana, le
onde si allargano e il suono lo percepiamo più debolmente; se la sorgente del suono si
avvicina, le onde si accorciano, si intensificano e noi percepiamo con più intensità il suono.
Questa scoperta faceva cadere del tutto la teoria dello stato inflazionario (anche se Hoyle continuò a
sostenerla).
Ma allora, se l‟Universo si sta espandendo con una certa velocità, ci deve essere stato un punto
nello spazio e nel tempo dal quale tutte le galassie hanno cominciato la loro espansione. Fu Gamow
nel 1946 a parlare per la prima volta di Big Bang (“Grande Scoppio”). Il termine scelto è efficace e
suggerisce qualcosa che esplode: tutto, quindi, ebbe inizio in quel preciso momento (calcolato nel
minimo dettaglio dagli studiosi a partire dalla velocità di allontanamento delle galassie più lontane)
e da allora l'Universo ha continuato ad espandersi continuamente.
La teoria che postula un inizio, un big bang e che si oppone alla teoria dello stato stazionario, è
quella dell’Universo inflazionario, emersa negli anni '20 grazie a Friedmann .
Il Big Bang
sorgente lunghezza d’onda minore
spettro verso il blu
ricevente
sorgente
lunghezza d’onda maggiore
spettro verso il rosso
ricevente
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3. Da che cosa abbia avuto origine il Big Bang non è stato ancora chiarito con certezza, infatti sono
state avanzate molte ipotesi di cui la più valida è quella di Friedmann che considera
l'Universo,all'inizio del tempo cioè nell'istante zero, concentrato in un volume più piccolo di un
atomo, con una densità pressoché infinita e a una temperatura di miliardi e miliardi di gradi. Non
sappiamo come fosse fatto questo nucleo primordiale di energia (che prende il nome di singolarità),
né perché si sia formato, ma improvvisamente questo "uovo cosmico" si è squarciato con una
esplosione immane: si sarebbe verificata una violentissima espansione che nel giro di circa un
miliardesimo di secondo avrebbe fatto aumentare il volume dell'Universo di miliardi e miliardi di
volte.
L‟istante zero si colloca circa 15 miliardi di anni fa. Lo sviluppo dell’Universo fu rapidissimo.
10-43
secondi
(0.0000000000000000000000000000000000000000001 secondi)
dopo il Big Bang
- L'Universo e' caldissimo, 1032
gradi (100000000000000000000000000000000 gradi) e
piccolissimo 10-33
cm (0.000000000000000000000000000000001 cm).
- 10-36
secondi dopo il Big Bang. Si creano le prime particelle atomiche (i quark).L'Universo
e' ancora caldissimo 1030
gradi e misura 10-26
cm. Inizia l' espansione `violenta'
dell'Universo, epoca conosciuta come `era dell'inflazione'.
-10-4
secondi dopo il Big Bang. I quark formano protoni e neutroni. La temperatura
dell'universo e' di 1000 miliardi di gradi.
-1 secondo dopo il Big Bang: compaiono i primi elettroni.
-3 minuti dopo il Big Bang iniziano a formarsi i nuclei di elio.
-300.000 anni dopo il Big Bang gli elettroni si legano ai protoni e ai nuclei di elio formando
atomi di idrogeno ed elio. La temperatura è di circa 3000 gradi.
-10 milioni di anni dopo il Big Bang si formano le prime galassie, nebulose e stelle.
-15 miliardi di anni dopo il Big Bang: L'Universo in cui viviamo.
La teoria dell’Universo inflazionario si affianca a quella dell’universo in espansione di
Hubble: l’espansione del Big Bang è un residuo di quell’immensa esplosione.
Ad avvalorare ulteriormente la tesi di Friedmann e di Hubble e quella del Big Bang di Gamow,
arrivò nel 1964 quella di da parte di due ingegneri americani che per caso osservarono l'esistenza
nell‟Universo di una radiazione di fondo, rilevabile con i radiotelescopi in ogni direzione dello
spazio. Essa consiste in una temperatura di 270 gradi sotto lo zero che pervade tutto l‟Universo: tale
temperatura sarebbe il residuo dell‟alta temperatura irradiatasi dall‟atomo primordiale al momento
dell‟esplosione, che nel corso degli anni si sarebbe raffreddata. Tale radiazione residua è dunque
l'eco del Big Bang.
Prof.ssa Cristina Galizia
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