Fred Hoyle e il Principio cosmologico perfetto

Conosciuto soprattutto per la Teoria cosmologica dello Stato Stazionario (che per vent’anni fu contrapposta alla Teoria cosmologica del Big Bang), Fred Hoyle, nato in Inghilterra il 24 giugno 1915, fu anche un apprezzato divulgatore scientifico e noto scrittore di romanzi di fantascienza. Per ironia della sorte (come abbiamo già ricordato numerose volte) il termine Big Bang fu coniato dallo stesso Hoyle nel 1950, durante una trasmissione radiofonica alla BBC; il suo intento era chiaramente sarcastico, perché lo scienziato voleva ridicolizzare la teoria secondo la quale l’Universo sarebbe nato da un’esplosione di energia, un grande scoppio, appunto. Questa famosa controversia cosmologica ebbe inizio da parte di Hoyle nel 1948 poiché lo scienziato inglese pur condividendo la legge di Hubble relativa all’espansione dell’Universo non riteneva che, procedendo indietro nel tempo si dovesse giungere necessariamente alle condizioni di densità temperatura infinite, condizioni che poi avrebbero generato il Big Bang, dal quale sarebbe poi scaturito tutto l’Universo: materia, spazio e tempo.
Hoyle propose una Teoria cosmologica che legava l’espansione dell’Universo alla creazione di nuova materia. Da questo scaturì il Modello Teorico dello Stato Stazionario o anche della “creazione continua”. La teoria trovò riscontro anche nei lavori di Hermann Bondi e Thomas Gold i quali arrivarono a conclusioni simili a quelle di Hoyle seguendo un approccio basato sul Principio cosmologico perfetto secondo cui nell’Universo non esistono né luoghi privilegiati né un’epoca privilegiata rispetto alle altre. La teoria della creazione continua della materia richiedeva un tasso di produzione di circa un atomo di idrogeno per chilometro cubo ogni anno, un tasso talmente basso da non poter essere verificabile. Negli anni Sessanta la Teoria dello Stato Stazionario fu abbandonata da quasi tutta la comunità scientifica in seguito alla scoperta della radiazione cosmica di fondo. Solo Fred Hoyle e pochi altri continuarono a proporre il Modello dello Stato Stazionario che successivamente fu trasformata nella Teoria dello stato quasi stazionario. Fedele alla concezione newtoniana di un Universo sostanzialmente statico, Hoyle non accettava l’idea che l’Universo si evolvesse nel tempo, che avesse avuto quindi un inizio nel tempo attraverso un unico atto di creazione. Secondo la sua teoria, l’Universo non è sempre stato costituito da tutta la materia che contiene oggi, poiché durante l’espansione emerge dal nulla nuova materia che riempie i vuoti che si ampliano, e così la densità media della materia resta costante.
Un altro importantissimo lavoro di Hoyle, condotto in collaborazione con il fisico William Fowler fu quello relativo allo studio della formazione degli elementi pesanti attraverso reazioni nucleari nei nuclei delle stelle. Da queste ricerche nacque la teoria della nucleosintesi degli elementi chimici nelle stelle, secondo la quale gli elementi “pesanti” sono i residui delle combustioni nucleari avvenute nelle stelle. I risultati delle ricerche furono pubblicati nel 1957; per questi studi Hoyle avrebbe meritato il Nobel per la fisica alla pari di Fowler, che lo ottenne nel 1983. Hoyle fu anche il sostenitore dell’ipotesi della “panspermia cosmica” che considera la vita un fenomeno cosmico globale.
Tratto da “Fred Hoyle, l’uomo che battezzò il Big Bang” di Giuseppe Palumbo Orione giugno 2015

La rivincita di Giordano Bruno

L’arditezza e l’originalità delle tesi di Giordano Bruno da Nola (1548-1600) sui “molti mondi” fin dall’inizio seminarono sconcerto e disapprovazione negli ambienti religiosi, tanto che quelle tesi furono inserite fra le otto proposizioni da abiurare identificate dal cardinale Bellarmino, lo stesso che sarà pochi anni dopo protagonista del processo a Galileo Galilei. Ora che gli astronomi sono giunti a catalogare quasi 2000 pianeti di altri stelle, decine dei quali potrebbero avere condizioni ambientali simili a quelle terrestri, estrapolando statisticamente i dati noti sugli esopianeti possiamo concludere che almeno una stella su tre possiede un sistema planetario, e che le Terre – bis sono quasi certamente numerosissime. In un certo senso stiamo assistendo alla “vendetta” di Giordano Bruno: la sua tesi eretica è diventata una evidenza scientifica.

Il sistema del mondo di Giordano Bruno, visionario e suggestivo, contiene in nuce i presupposti della cosmologia contemporanea e prepara per certi versi il terreno alla scienza moderna. Le audaci argomentazioni cosmologiche e filosofiche del frate domenicano originario di Nola, in Campania, vengono sviluppate e approfondite a partire dalla Cena delle Ceneri, opera ambientata e edita a Londra nel 1584. Giordano Bruno attacca tutti quei principi che si rifanno alla finitezza dell’universo e che individuano un centro dove dovrebbe trovarsi immobile il Sole, la dove nella concezione tolemaica era collocata la Terra fissa. E’ vero che la cosmologia che eredita  è quella rielaborata dal Medioevo, ma il suo universo ha una struttura isotropa, uguale in ogni direzione, è infinito e illimitato. Lo spazio è infinito e contiene infinite stelle fisse e infiniti soli attorno ai quali ruotano infiniti pianeti. Pur non avendo ancora a disposizione il cannocchiale, nè osservatori astronomici, Giordano Bruno ipotizza che Saturno non sia l’ultimo dei pianeti, che il Sistema Solare non sia al centro dell’universo, che l’universo non abbia centro e che, geometrico ed euclideo, contenga innumerevoli mondi.
Riprendendo le tesi espresse da Nicola Cusano nel De Docta ignorantia del 1440, Giordano Bruno nella Cena delle Cenerisostiene la tesi dell’infinitezza dell’universo sulla base del fatto che esso è stato generato da una causa prima infinita e onnipotente. Ci troviamo dunque di fronte ad un’infinità di mondi, all’idea di un universo sconfinato e animato da un principio vitale inesauribile che muta costantemente.
Sarà però il De l’infinito, universo et mundi, l’opera che più di tutte indagherà l’essenza filosofica dell’Infinito. I cinque dialoghi si sviluppano attorno al concetto secondo il quale se la potenza divina è infinita, l’universo e i mondi non possono che essere necessariamente infiniti anch’essi.
L’infinità dell’universo, l’assenza di un centro privilegiato, l’esistenza di infiniti mondi, comportano il crollo dell’antico ordine gerarchico aristotelico.L’infinito e l’infinità dei mondi, cifre caratterizzanti della sua originale e spregiudicata speculazione, attuali oggi e agli onori della cronaca, saranno causa della fine di Bruno. Egli affrontò il supplizio e difese con ostinazione il suo pensiero, sprezzante fino all’ultimo.
Ah dimenticavamo! Recentemente è stato scoperto il pianeta Kepler -186f che ha caratteristiche compatibili con lo sviluppo di forme di vita analoghe a quelle della Terra (vedi Le Stelle numero 131 pagine 54-57). Eh si è proprio la rivincita di Bruno.
Tratto da “Infiniti esopianeti? La rivincita di Bruno” di Maria Giulia Andretta Le Stelle ottobre 2014 pagina 60.

Nella foto: il monumento in bronzo a Giordano Bruno nella piazza romana di Campo de’ Fiori, opera dello scultore Ettore Ferrari(1889). Il filosofo è mostrato rivolgere il volto in direzione della Città del Vaticano, in segno di ammonimento alla Chiesa. Originariamente Ferrari intendeva raffigurare Bruno con la mano e l’indice puntati verso il Vaticano come simbolo di accusa, rappresentandolo in atto di sfida davanti all’Inquisizione, ma poi ripiegò sul soggetto meno aggressivo di un Bruno pensoso, che comunque volge lo sguardo serio sempre verso la sede del papato. Sul basamento sono presenti l’iscrizione e vari bassorilievi rappresentanti il processo e la morte di Bruno.

La controversia cosmologica di Sir Fred Hoyle

Sir Fred Hoyle (Bingley, 24 giugno 1915 – Bournemouth, 20 agosto 2001) è stato un matematico, fisico e astronomo britannico, noto al grande pubblico soprattutto per le sue argomentazioni non convenzionali e per svariate teorie non ortodosse entro la comunità scientifica. I suoi numerosi contributi scientifici vanno dalla spiegazione della genesi degli elementi “pesanti” a quella della frammentazione del gas in stelle, ma egli è noto soprattutto come sostenitore della teoria cosmologica dello stato stazionario e dell’ipotesi della Panspermia. Hoyle fu un autore di fantascienza e conduttore di programmi di divulgazione scientifica di successo.
Attività scientifica
Il modo di procedere singolare ed acuto di Hoyle nel campo della scienza è ben illustrato dall’esempio di uno dei suoi primi articoli scientifici, basato su un uso peculiare del Principio antropico: mentre cercava di definire le reazioni nucleari coinvolte nella nucleosintesi stellare, Hoyle osservò che una particolare reazione, la formazione del carbonio a partire da 3 nuclei di elio, poteva essere efficiente solo se il nucleo del carbonio fosse stato caratterizzato da livelli energetici estremamente specifici. Poiché il carbonio (che è necessario per la formazione di tutte le molecole organiche, e quindi per la vita) è un elemento piuttosto abbondante nell’universo, la reazione deve essere efficiente, per cui Hoyle predisse su questa base l’esistenza di alcuni livelli energetici del nucleo di carbonio, che furono confermati sperimentalmente solo più tardi dall’equipe del fisico  americano William Fowler.
La controversia cosmologica
Per quanto i suoi contributi scientifici vadano ben al di là di essa, Hoyle è noto soprattutto per essere stato il campione della teoria cosmologica dello stato stazionario, che per oltre 20 anni costituì una valida alternativa a quella che è oggi nota come teoria del Big Bang (un termine coniato dallo stesso Hoyle). L’ingresso di Hoyle in questa controversia si ebbe nel 1948: per quanto condividesse l’interpretazione della cosiddetta legge di Hubble in termini di espansione dell’universo, Hoyle non riteneva che ciò dovesse necessariamente portare, procedendo a ritroso nel tempo, ad una condizione di densità e temperatura infinita (ovvero al Big Bang): propose quindi una teoria che, per quanto basata sulla relatività generale, inseriva nelle equazioni di Albert Einstein un termine contenente un campo ad energia e pressione negativa (C-field, creation field, campo di creazione) che legava l’espansione dell’universo alla creazione di nuova materia. L’espansione dell’universo sarebbe stata dovuta alla creazione di nuova materia. Questa possibilità di creazione continua della materia venne considerata da Hoyle
« […] attraente specialmente quando unita all’obiezione estetica mossa alla creazione di un universo nel remoto passato. Dal momento che è contro lo spirito della ricerca scientifica riferirsi ad effetti osservabili come derivanti da cause sconosciute alla scienza, e questo è ciò che in linea di principio implica la creazione nel passato. » (F. Hoyle 1948 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 108, 372). Il modello teorico di universo che ne scaturì è detto dello stato stazionario (ma anche della creazione continua) e trovò riscontro nel lavoro pressoché contemporaneo di due colleghi di Fred Hoyle, Hermann Bondi e Thomas Gold, i quali seguendo un approccio diverso, puramente deduttivo e basato sul principio cosmologico perfetto (il principio cosmologico comunemente assunto in cosmologia afferma che se si considerano scale sufficientemente ampie non esistono luoghi privilegiati rispetto ad altri; il principio cosmologico perfetto aggiunge che non esiste neppure un’epoca privilegiata rispetto alle altre, il che implica che l’universo sia eterno) arrivarono a conclusioni molto simili. Il tasso di produzione di materia richiesto dalla teoria della creazione continua (circa un atomo di idrogeno per chilometro cubo ogni anno) è così basso da essere del tutto inosservabile, per cui la mancata osservazione diretta della creazione di materia non è sufficiente a falsificarla. Dopo alcuni decenni di dibattito acceso, nei primi anni settanta la teoria dello stato stazionario fu abbandonata praticamente da tutti (con l’eccezione di Hoyle e pochi seguaci, che nel 1993 tornarono a proporre il cosiddetto Stato Quasi Stazionario) in seguito alla scoperta della Radiazione cosmica di fondo e ad altri risultati che mostravano una variazione della densità spaziale dei quasar in funzione della distanza (per quanto meno nota, quest’ultima è ora considerata la più importante delle due prove che confutano la teoria di Hoyle).
La nucleo sintesi stellare
A partire dal 1946 (quando pubblicò un articolo su La Sintesi degli elementi a partire dall’Idrogeno) Hoyle lavorò allo studio della formazione degli elementi attraverso reazioni nucleari nei nuclei delle stelle. In particolare, negli anni cinquanta egli produsse diversi lavori al riguardo, in collaborazione con il fisico W.A. Fowler (che nel 1983 vinse un Premio Nobel per ricerche correlate a queste) e con gli astronomi Geoffrey e Margaret Burbidge. Nel 1957 essi pubblicarono un lavoro intitolato La sintesi degli elementi nelle stelle – I (dove il I si riferisce ad una seconda parte che non fu mai pubblicata).  Questa teoria fu decisamente più fortunata di quella dello stato stazionario: con l’importante eccezione dell’elio e di pochi altri elementi leggeri (le cui abbondanze sono spiegabili solo facendo ricorso alla nucleosintesi primordiale, ovvero all’ipotesi che siano stati sintetizzati in un’epoca molto prossima al Big Bang) si ritiene che la teoria di Hoyle secondo la quale gli elementi “pesanti” sono le “ceneri” di combustioni nucleari avvenute nelle stelle sia sostanzialmente corretta.
Altre controversie
A seguito delle sue attività, nel 1957 divenne membro (Fellow) della Royal Society. Nel 1967 Hoyle fondò il dipartimento di Astronomia Teorica a dell’Università di Cambridge, di cui divenne direttore. Nel 1972 fu nominato cavaliere; tuttavia nello stesso anno egli lasciò Cambridge, anche per via del crescente supporto che il Big Bang stava ottenendo nell’ambiente astronomico inglese. La mente fervida di Hoyle lo portò spesso a ideare e a sostenere posizioni controverse. Uno dei principali esempi è il suo coinvolgimento nel campo della biologia con l’ipotesi della Panspermia secondo cui la vita è un fenomeno cosmico globale. Infatti Hoyle, assieme a Chandra Wickramasinghe, propose la teoria che la vita si sia evoluta nello spazio, diffondendosi nell’universo, e che questa sia l’origine della vita sulla Terra. Inoltre l’evoluzione sarebbe sospinta da un lento ma continuo afflusso di virus dallo spazio, trasportati da comete. Per quanto scarsamente accreditata (i suoi riscontri sperimentali sono a tutt’oggi quasi inesistenti), questa teoria ha sicuramente avuto una ricaduta scientifica positiva, spingendo ad esempio alla ricerca (ed alla scoperta) di numerose specie organiche in ambienti astronomici come le comete o le nubi molecolari. Fra le altre controversie cui Hoyle prese parte, le più famose sono legate ai suoi dubbi sull’autenticità di un fondamentale fossile di archaeopteryx e la sua condanna per l’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 1974 al solo Antony Hewish e non a Jocelyn Bell, che pure aveva avuto un ruolo fondamentale nella scoperta (la prima pulsar) per cui Hewish venne premiato.
A come Andromeda
Negli anni cinquanta Hoyle tenne una serie di trasmissioni radiofoniche alla BBC, che furono raccolte nel libro “La natura dell’Universo” (The Nature of the Universe) e poi scrisse diversi altri libri di divulgazione scientifica. Scrisse anche diversi libri di fantascienza. Il più importante è probabilmente La nuvola nera, in cui si ipotizza che le più intelligenti forme di vita dell’universo abbiano la forma di nubi di gas interstellare, che si sorprendono del fatto che la vita intelligente possa svilupparsi anche su dei pianeti. Un altro dei suoi romanzi, “A come Andromeda”, fu alla base di una omonima serie televisiva italiana.

Inflazione eterna e inflazione caotica

L’inflazione eterna è modello di inflazione cosmologica dell’universo, prevista da alcune estensioni della teoria del Big Bang. Nelle teorie dell’inflazione eterna, la fase di espansione accelerata dell’universo continua per sempre almeno in alcuni regioni dell’universo. Dato che queste regioni si espandono a tassi esponenziali, l’intero volume dell’universo cresce indefinitamente e sempre più rapidamente, fino al Big Rip (modello base) o alla riproduzione di un nuovo universo (modello di Andrej Linde). L’inflazione eterna è prevista da molti modelli differenti di inflazione cosmica. Il modello originale di Alan Guth di inflazione includeva un fase di “falso vuoto” con energia del vuoto positiva. Parti dell’universo in quella fase si espandono inflativamente e solo occasionalmente decadono ad uno stato di energia minore, non inflazionario, chiamato anche stato fondamentale. Nell’inflazione caotica, proposta dal fisico Andrei Linde, i picchi nell’evoluzione di un campo scalare, che determina l’energia del vuoto, corrispondono a regioni in cui l’inflazione domina. Il falso vuoto dovrebbe decadere esponenzialmente, tuttavia le bolle di falso vuoto potrebbero anche espandersi esponenzialmente in modo tale che una regione dominata dal falso vuoto non sparisce mai. In queste regioni di falso vuoto occasionalmente potrebbero crearsi nuove bolle, e quindi nuovi universi, come semplice risultato del decadimento del falso vuoto. Il periodo inflativo dell’universo continua quindi a perdurare per sempre in diverse regioni dello spazio tempo. L’universo che noi effettivamente osserviamo sarebbe quindi solo una delle possibili bolle che si sono sviluppate, molti altri universi anche simili al nostro sarebbero quindi possibili.

Inflazione caotica

L’inflazione caotica o teoria delle bolle è una teoria cosmologica proposta da Andrej Linde, basata sul modello inflazionario eterno e sulla meccanica quantistica, e parte dei modelli sul multiverso, del quale il nostro universo sarebbe solo una delle infinite “bolle”. Come altre teorie inflazionistiche, solitamente è contrapposta alle altre principali teorie fisiche della cosmologia, ossia quelle dell’universo oscillante o modelli ciclici (come la teoria classica di universo oscillante/Big Bounce, la teoria M e le stringhe del multiverso o la cosmologia ciclica conforme), anche se secondo alcuni, come Michio Kaku, l’inflazione caotica si adatta alle proposte di teoria del tutto quali le stringhe e il Big Splat, spiegando il dopo Big Bang di questo universo e gli eventuali universi “figli”, mentre esse spiegano anche il “prima”, ossia l’origine di tutti gli universi. Questa teoria è nota come teoria dell’universo a bolle; è stata proposta negli anni ’80 e nel 2014 ha ricevuto alcune conferme sperimentali, non condivise però da molti fisici, in quanto i risultati di BICEP2 confliggerebbero con quelli raccolti successivamente da Planck Surveyor.  Il concetto dell’universo a bolle comporta la creazione di universi derivanti dalla schiuma quantistica di un “universo genitore”. Alle scale più piccole (quantistiche), la schiuma ribolle a causa di fluttuazioni di energia. Queste fluttuazioni, da ciò il termine “caotica”, possono creare piccole bolle e wormhole. Se la fluttuazione di energia non è molto grande, un piccolo universo a bolla può formarsi, sperimentare una qualche espansione (come un palloncino che si gonfia), ed in seguito potrebbe contrarsi. Comunque, se la fluttuazione energetica è maggiore rispetto ad un certo valore critico, si forma un piccolo universo a bolla dall’universo parentale, va incontro ad un’espansione a lungo termine, e permette la formazione sia di materia che di strutture galattiche a grandissima scala. Nella teoria delle bolle, sostenuta da Andrej Linde riprendendo alcune teorie del passato, ogni bolla inflazionaria di questa “schiuma quantica” è invece un universo (come il nostro), collegato ad altri universi tramite i wormhole teorizzati da Einstein; alcuni di questi universi sono abitabili, altri no, e ognuno ha la sua storia ed evoluzione specifica, passata e futura. Linde chiama questo modello, scherzosamente, “universo a formaggio svizzero” o a “coppa di champagne”. L’inflazione teorizzata da Linde è chiamata inflazione caotica o inflazione eterna. Oltre l’universo osservabile, lo spaziotempo può essere ancora in uno stato di inflazione, con altri universi “bolla” che si formano ogni volta che in qualche punto l’inflazione si ferma. Se il nostro universo fosse l’unico esistente, si avrebbe quindi bisogno di una spiegazione scientifica del perché sembra così ben calibrato per consentire un certo ordine e la vita biologica. Se invece non è che uno dei tanti esistenti, ognuno di essi può avere parametri differenti e differenti costanti, e solo a un universo (o a pochi) è capitato di avere valori tali che hanno permesso la vita.[5] Alcuni risultati di osservazione e sperimentazione confermerebbero a grandi linee questa teoria, verificando la teoria inflazionistica, tramite le onde gravitazionali, che conduce, secondo Linde e Alan Guth, alla variante di un multiverso a bolle. Una teoria formulata dal fisico Alexander Vilenkin afferma che il multiverso è formato da tanti universi, ognuno dei quali si trova confinato in una bolla in inflazione eterna (cioè in costante espansione esponenziale), incluso il nostro (ogni singolo universo, almeno rispetto ad osservatori situati al suo interno, deve implicare una genesi riconducibile o affine ad un Big-bang). In alcune zone di una bolla la deformazione dello spazio-tempo è tale da portare alla formazione di una nuova bolla, aprire un varco verso un nuovo universo; dopo un certo periodo, sempre per effetto della deformazione, la nuova bolla si stacca e si forma un universo del tutto indipendente, senza alcun punto di collegamento con quello di partenza. Le regioni formate dall’inflazione caotica si espandono a tassi esponenziali, l’intero volume dell’universo cresce indefinitamente e sempre più rapidamente. Quindi l’universo sarebbe infinito ed eterno e si autoriprodurrebbe, tramite queste bolle che da esso si staccano e così via; Questo può essere già accaduto: finite ed osservabili sono solo alcune parti di questo multiverso, che sono soggetti a possibili Big Freeze (congelamento) e Big Rip (distruzione), ma nel frattempo se ne sono già generati altri, come accade con la riproduzione cellulare in biologia. Il nostro universo (o la parte da noi visibile e studiabile) non è che una piccolissima zona dell’esistente, il cosiddetto universo osservabile). L’inflazione eterna è prevista da molti modelli differenti di inflazione cosmica. Il modello originale di Alan Guth di inflazione includeva un fase di “falso vuoto” con energia del vuoto positiva. Se il vuoto non è lo stato a minore energia (un falso vuoto quindi), potrebbe collassare nello stato a minore energia. Ciò prende il nome di disastro della metastabilità del vuoto. Questo fatto cambierebbe completamente il nostro universo; le costanti fisiche potrebbero avere valori diversi, che altererebbero le basi della materia. Parti dell’universo in quella fase si espandono inflativamente e solo occasionalmente decadono occasionalmente ad uno stato di energia minore, non inflazionario, chiamato anche stato fondamentale. Nell’inflazione caotica, proposta dal fisico Andrei Linde, i picchi nell’evoluzione di un campo scalare, che determina l’energia del vuoto, corrispondono a regioni in cui l’inflazione domina. Il falso vuoto dovrebbe decadere esponenzialmente, tuttavia le bolle di falso vuoto potrebbero anche espandersi esponenzialmente in modo tale che una regione dominata dal falso vuoto non sparisce mai. In queste regioni di falso vuoto occasionalmente potrebbero crearsi nuove bolle, e quindi nuovi universi, come semplice risultato del decadimento del falso vuoto. Il periodo inflativo dell’universo continua quindi a perdurare per sempre in diverse regioni dello spazio tempo. L’universo che noi effettivamente osserviamo sarebbe quindi solo una delle possibili bolle che si sono sviluppate, molti altri universi anche simili al nostro sarebbero quindi possibili. Talvolta le bolle possono toccarsi e influire sullo spaziotempo con nuova produzione di energia. Il 17 marzo 2014 gli astrofisici John Kovac e Chao-Lin Kuo, dell’Università di Harvard (Boston), hanno presentato alcune prove che l’universo, dopo il Big Bang, ha subìto una inflazione. Sono le evidenze che trasformano l’ipotesi dell’universo inflazionario in una teoria verificata sperimentalmente, il che, secondo Andrej Linde, Alan Guth e altri (non coinvolti direttamente con lo studio, ma che hanno formulato la fisica teorica inflazionaria), è la prova che i calcoli teorici della teoria dell’inflazione eterna e caotica (non un’esplosione o un’inflazione ordinata, ma una dilatazione iniziale superiore a quella della velocità della luce), la base per la teoria delle bolle che generano eternamente universi (in quanto espansi con velocità differenti), sono veritieri. L’energia oscura sarebbe una delle forze di questo fenomeno. Il progetto BICEP2 (evoluzione di BICEP, cioè Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) ha rilevato, con radiotelescopi e apparecchiature situate al Polo Sud presso la base Amundsen-Scott, l’esistenza, tramite osservazione indiretta, di onde gravitazionali primordiali, fatta osservando la radiazione cosmica di fondoLa perfezione cosmica di alcune leggi, atte a favorire la nascita della vita, spingerebbe quindi a scegliere, secondo la maggioranza dei fisici, o la teoria probabilistica degli universi infiniti, o la teoria dell’universo progettato apposta: la seconda non è però scienza ma fede, mentre la prima è scientifica e ha una buona possibilità di essere veritiera, come è stato osservato da Stephen Hawking. Quindi, secondo queste ultime osservazioni, l’universo (o il multiverso, o ciò che esiste) ha forse avuto un qualche inizio – ma potrebbe anche non averlo – e probabilmente esso e la materia/energia non avranno mai una fine, come indicano anche le leggi di conservazione della massa di Antoine Lavoisier. L’inflazione caotica di Linde e Guth viene anche ad assomigliare alla teoria dello stato stazionario di Fred Hoyle, una teoria oggi considerata non standard. Guth, Linde e altri hanno osservato che se l’inflazione è veritiera, allora è reale – con alta probabilità – anche il multiverso, in quanto modelli teorici inflazionari senza multiverso sono fattibili ma molto difficili da costruire. Circa il 90 % delle teorie inflazionarie potrebbero essere invalidate, mentre l’inflazione caotica viene promossa dai dati osservativi. Chi critica l’inflazione in generale, afferma ad esempio che i dati successivi, di Planck Surveyor, sarebbero in contraddizione, o che la teoria manca di falsificabilità o che violi la relatività generale.
Tratto da Wikipedia

La teoria dello Stato Stazionario e il Principio cosmologico perfetto

La teoria dello stato stazionario è uno scenario cosmologico non standard che fu sviluppato nel 1948 da Fred Hoyle, Hermann Bondi, Thomas Gold ed altri come alternativa alle teorie che si fondano su un Big Bang. La sua base filosofica è il cosiddetto Principio cosmologico perfetto, che afferma che il nostro punto di osservazione dell’Universo non sarebbe per nulla particolare, non solo dal punto di vista della posizione, ma anche da quello temporale: non solo l’uomo, la Terra, il Sole o la Via Lattea non sono al centro dell’Universo (né in alcun’altra posizione privilegiata), ma su scala cosmologica anche l’epoca in cui viviamo non sarebbe significativamente differente da ogni altra. L’universo su grande scala sarebbe quindi eterno ed immutabile. Questo principio può essere conciliato con la cosiddetta Legge di Hubble (l’osservazione del moto di recessione delle galassie, le quali si allontanano da noi ad una velocità proporzionale alla loro distanza) assumendo che si abbia una continua creazione di materia, in modo da mantenere costante la densità media. Siccome il tasso a cui la materia dovrebbe essere creata è molto basso (1 atomo di Idrogeno per m³ ogni miliardo di anni) la mancata osservazione di questo fenomeno non costituisce un vero problema per la teoria, anche se alcuni suoi seguaci (ad es. Halton Arp) hanno ipotizzato che i nuclei galattici attivi sarebbero i luoghi dove la materia sarebbe creata. Per quanto il Big Bang fosse forse la teoria più accreditata, lo stato stazionario rimase una seria alternativa fino alla fine degli anni sessanta, quando furono ottenute osservazioni che dimostravano che le proprietà dell’universo su larga scala evolvono nel tempo: si osservò infatti che la densità “locale” di quasar e radiogalassie era sostanzialmente inferiore a quella che si poteva misurare ad alto redshift, ovvero a grandi distanze, cioè, dato che la velocità della luce è finita, nel lontano passato. Questa interpretazione fu contestata da alcuni sostenitori dello stato stazionario (fra cui, di nuovo, Halton Arp), che suggerirono che il redshift dei quasar non fosse di origine cosmologica, ma legato alle proprietà fisiche di questi oggetti (cosa che avrebbe “salvato” lo stato stazionario). La prova che ha portato ormai all’abbandono della teoria dello stato stazionario venne dalla scoperta della Radiazione cosmica di fondo nel 1964. Questa radiazione era stata predetta teoricamente come una naturale conseguenza di un Big Bang. Per quanto non fosse in contraddizione con lo stato stazionario (anzi, alcuni seguaci di Hoyle avevano persino predetto la sua esistenza), quest’ultima osservazione convinse quasi tutti ad abbandonare questa teoria. Fra le eccezioni ci furono lo stesso Hoyle, Arp, Narlikar e Geoffrey Burbidge, ed alcuni di loro continuano a lavorare a varianti della teoria dello stato stazionario. Fatte queste poche eccezioni, la controversia sullo stato stazionario ha oggi un interesse prevalentente storico: occasionalmente i modelli “stazionari” segnano qualche punto a loro favore (ad esempio la cosiddetta cosmologia dello stato quasi-stazionario, nata nel 1993, spiega con naturalezza la recente e inattesa scoperta che l’espansione dell’universo starebbe accelerando), ma questi non sembrano essere paragonabili ai successi delle teorie “standard” del Big Bang. Per questo motivo il Big Bang viene ormai considerato un fatto acquisito da quasi tutti gli astronomi, ed il dibattito in campo cosmologico riguarda quale delle sue numerosissime varianti sia la più corretta. In particolare, alcune di queste teorie (ad es. molti modelli inflazionari) vanno oltre il Big Bang stesso e cercano di spiegare (perlomeno dal punto di vista matematico) quello che molti considerano il principale punto debole della teoria, ovvero la sua incapacità di spiegare che cosa abbia “causato” il Big Bang stesso, e di conseguenza la formazione del nostro universo. È degno di nota, ed abbastanza paradossale, che molti dei modelli inflazionari più accreditati prevedano che la fase inflazionaria sia eterna e generi infiniti “universi” (intesi come regioni di dimensioni molto più ampie di quello che comunemente chiamiamo “universo”, il cosiddetto multiverso) di caratteristiche distinte. Fra questi modelli ve ne sono diversi che possono portare ad una situazione stazionaria, e in questi modelli il Principio cosmologico perfetto potrebbe essere valido, per quanto su scale enormemente più ampie di quelle esaminate da Hoyle e dai suoi seguaci. Stephen Hawking sostiene che l’universo sia eterno in quanto il suo inizio non è un vero inizio (cfr. stato di Hartle-Hawking), e poi ha subito una probabile inflazione infinita, come previsto ad esempio da Andrej Linde e Alan Guth. Roger Penrose, già allievo di Dennis Sciama e di Hoyle stesso, ha ripreso indirettamente la teoria nel 2001, fondendola assieme all’universo oscillante e al Big Bang standard (sostenuto anche da lui stesso prima degli anni 2000), nella cosmologia ciclica conforme; essa è contrapposta alle teoria inflazionistica più accreditata, l’inflazione caotica o teoria delle bolle, e alla teoria delle stringhe.
Tratto da Wikipedia

Multiversi dal Medioevo

Chi l’avrebbe detto che in pieno Medioevo, periodo storico non certo aperto alla scienza, sarebbero stati gettati, seppur involontariamente, i semi di una delle teorie oggi più avanzata e dibattuta sull’evoluzione del cosmo, ovvero quella che prevede l’esistenza di più universi? Quando le ‘streghe’ venivano bruciate come fossero fiammiferi e i più eminenti dotti giuravano e spergiuravano che la Terra fosse al centro dell’Universo, fulcro di quella ordinatissima e perfettissima armonia celeste, il teologo inglese Roberto Grossatesta scriveva il trattato De Luce (La Luce). Era il 1225 quando Grossatesta, che aveva studiato le opere recentemente riscoperte di Aristotele sul moto delle stelle e della Terra in una serie di nove sfere concentriche, propone nel suo scritto l’idea di un universo iniziato con un lampo di luce. Questo lampo avrebbe spinto tutta la materia verso l’esterno, da un piccolo punto fino a trasformarla in una grandissima sfera. Questa analogia vi ricorda qualcosa? Ma sì, è sorprendente moderna, assai vicina al concetto che sta alla base della ben nota teoria del Big Bang. Una simile visione, o meglio previsione,  annidata nel paludato latino del De Luce, non poteva certo lasciare indifferenti anche qualcuno dei ricercatori del nostro XXI secolo, e così è stato. Tom McLeish , fisico presso la Durham University nel Regno Unito, aiutato da alcuni colleghi ha provato a ‘tradurre’ le speculazioni di Grossatesta dalla lingua di Cicerone a quella della matematica contemporanea, fatta di simboli, equazioni differenziali e complessi metodi di approssimazioni numeriche, per vedere a quali risultati avrebbero portato. “Abbiamo cercato di scrivere in termini matematici quello che il teologo ha detto con parole latine”, dice McLeish. “Abbiamo così a disposizione una serie di equazioni, che possono essere inserite nei computer e risolte. Stiamo esplorando con il solo ausilio della matematica un nuovo tipo di universo, che poi è proprio quello che i fisici teorici delle stringhe fanno a tempo pieno. Possiamo considerarci dei teorici delle stringhe medievali”. Nell’universo di Grossatesta luce e materia sono accoppiati insieme. Quando dall’impulso iniziale la loro espansione raggiunge una densità minima, entra in quello che viene definito uno stato perfetto e cessa e il il processo di accrescimento si arresta. Questa sfera perfetta emette allora una nuova forma di luce chiamata lumen, che invece si propaga verso l’interno, ‘purificando la materia imperfetta dentro la sfera e comprimendola, fino a che raggiunge anch’essa uno stato ideale e a sua volta diventa sorgente di lumen. Andando a ritroso, il processo prosegue e lascia come unico ‘residuo’ di materia imperfetta da cui, guarda caso, si è generata proprio la Terra. Di certo a Grossatesta non sfiorò nemmeno l’idea di poter essere considerato un lontano precursore delle moderne teorie cosmologiche, addirittura fino a sottintendere la possibilità dell’esistenza di universi multipli. “Ovviamente non poteva neanche immaginare che nella sua visione del cosmo si possono arrangiare tanti multiversi”, continua McLeish. “Ma tra ottocento anni che cosa dirà la gente delle ipotesi che stiamo facendo oggi?”.
di Marco Galliani (INAF)

La legge di Hubble e l’espansione cosmica

Edwin Hubble è senz’altro una delle figure chiave dell’astronomia – non per niente a lui è stato intitolato il telescopio orbitante, quel gioiello tecnologico che permette di scrutare i cieli fino ad enormi profondità, superando i “disturbi” dell’atmosfera terrestre. Nel 1923 Hubble fu in grado di provare che le indistinguibili macchie di luce in lontananza, allora chiamate nebulose, erano in effetti insiemi di miriadi di stelle, dimostrando l’esistenza di galassie diverse dalla nostra Via Lattea, un’idea già postulata da alcuni studiosi come il filosofo Immanuel Kant. Ma non era finita qui. Nel 1929, Hubble notò che le righe spettrali della luce di lontane galassie presentavano lunghezze d’onda maggiori di quanto ci si sarebbe aspettato, concludendo, in base all’effetto Doppler, che le galassie si allontanavano dalla Terra, con una velocità proporzionale alla distanza. L’effetto Doppler, evidenziato per la prima volta dal fisico austriaco Johann Christian Doppler nel 1842, è un cambiamento apparente della frequenza delle lunghezze d’onda percepito da un osservatore al variare della sua distanza dall’origine dell’emissione. Quando la sorgente si allontana da noi, le creste delle onde emesse in successione impiegano un tempo maggiore per raggiungerci, mentre quando si avvicina il tempo di percorrenza è minore. Una analogia frequentemente utilizzata per spiegare questo effetto è quella del viaggiatore che scrive a casa una lettera alla settimana mentre si allontana dal luogo di origine. Le lettere, sempre inviate con cadenza regolare, saranno recapitate ad intervalli di tempo sempre maggiori man mano che lo scrivente si allontana. L’effetto Doppler si osserva comunemente quando siamo superati da un’ambulanza a tutta velocità. Sebbene la reale emissione sonora della sirena non cambi (il guidatore dell’ambulanza non avverte alcuna variazione), le nostre orecchie percepiscono un abbassamento della tonalità man mano che la sirena si allontana da noi, registrano cioè il cambiamento apparente della lunghezza d’onda. L’effetto Doppler si applica a qualsiasi tipo di onda; nel caso della luce, la sua conseguenza osservabile è un redshift (spostamento verso il rosso) delle righe spettrali se la sorgente si allontana, e un blueshift (spostamento verso il blu) quando si avvicina. Hubble rilevò che la luce di lontane galassie presentava un redshift, e dimostrò che la velocità di recessione era proporzionale alla distanza: più distante era l’oggetto, più pronunciato era lo spostamento verso il rosso. Questa relazione lineare tra velocità e distanza, denominata legge di Hubble, fu la prima importante osservazione empirica che suffragava la teoria del Big Bang, un’esplosione primordiale seguita dall’espansione – se le galassie si stanno separando, in passato dovevano essere certamente più vicine tra loro. La proporzionalità lineare tra distanza e velocità indica inoltre che la nostra galassia, la Via Lattea, non occupa alcuna posizione particolare nel cosmo: Da qualsiasi pianeta in qualsiasi galassia lo si osservi, l’Universo ha lo stesso aspetto. La velocità di recessione, quindi, rappresenta il tasso di espansione dell’Universo in cui tutte le galassie si allontanano le une dalle altre. Hubble stimò il tasso di espansione, da allora chiamata costante di Hubble, in 500 km al secondo per megaparsec (1 megaparsec = 3.262.000 anni luce). Il suo valore è stato continuamente rivisto negli anni con il perfezionamento delle strumentazioni, e soprattutto grazie al Hubble Space Telescope.  Oggi è stimato attorno ai 70 km/s per megaparsec. La costante di Hubble ci permette anche di stimare l’età dell’Universo. Conoscendo la distanza attuale tra due galassie e la velocità a cui si separano, è possibile determinare quanto tempo hanno impiegato per raggiungere la distanza osservata oggi, applicando la semplice relazione: spazio/velocità = tempo. Come spesso accade nel mondo della scienza, le cose non sono proprio così semplici…Oltre a modificare continuamente il valore della costante di Hubble, gli astronomi hanno infatti inaspettatamente scoperto, nel 1998, che l’espansione cosmica starebbe accelerando, a causa di una forza della natura a tutt’oggi ignota, e per questo detta “energia oscura”; insomma, la costante di Hubble non sarebbe proprio…costante. Secondo le più recenti stime, i cosmologi ritengono che l’Universo abbia circa 13.7 miliardi di anni, con un margine di errore solo del 10% (± 200 milioni di anni).
di Francesca Diodati, pubblicato il 12 novembre 2007 su Astronomia.com

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