Indice
- Il Modello Cosmologico Standard
- Il Big Bang
- Il Brodo Primordiale
- Come i fotoni si trasformavano in materia
- Come la materia si trasformava in fotoni
- La fine delle trasformazioni
Il Modello Cosmologico Standard
E’ così che potremmo iniziare la nostra storia. Sembra una favola su un luogo incantato, e invece è una storia vera! Perlomeno, corrisponde alla teoria più comunemente accettata dagli scienziati sulle origini dell’Universo: il Modello Cosmologico Standard.
Secondo il Modello Cosmologico Standard, c’è stato un periodo, un istante, chi lo sa, nel quale l’Universo era così piccolo da essere concentrato in un solo punto. Questo punto, detto Singolarità, conteneva quindi tutta la materia, l’energia e lo spazio che compongono l’Universo, ammassati a densità praticamente infinita. Come potesse manifestarsi uno stato simile non è spiegabile dalle leggi della fisica che si applicano alla nostra realtà.
Nessuno conosce le leggi fisiche che regolavano il comportamento della Singolarità, perché in quelle condizioni estreme le normali leggi della fisica non valgono più. Allo stesso modo nessuno sa dire perché, in un istante, questo Tutto abbia improvvisamente iniziato ad espandersi.
Il Big Bang
L’istante descritto poche righe fa è stato chiamato Big Bang (Grande Scoppio). L’espressione è d’effetto, ma può trarre in inganno. E’ infatti facile visualizzare il Big Bang come un’esplosione che scaglia materia in tutte le direzioni. Non può essere così, perché in realtà non c’era spazio in cui la materia potesse essere scagliata.
Ricordiamo che lo spazio è a tutti gli effetti un elemento dell’Universo, come la materia e l’energia. Anche lo spazio era concentrato nella Singolarità, e al di fuori della Singolarità non vi era nulla. Pensiamo allora al Big Bang come all’evento che ha liberato il seme dell’Universo, consentendogli di sbocciare. Un inizio in cui è stato generato il tessuto dello spazio che ha iniziato ad espandersi, portando con sé la materia e l’energia. Un’espansione che continua ancora oggi. E man mano che si espande, l’Universo, all’inizio incandescente (dell’ordine di miliardi di miliardi di gradi), continua gradualmente a raffreddarsi.
Misurando la velocità alla quale l’Universo si sta espandendo, i cosmologi sono in grado di stimare l’età del Cosmo (cioè quanto tempo deve avere impiegato per raggiungere le dimensioni che ha oggi). Secondo le ultime stime, il Big Bang sarebbe avvenuto circa 13.8 miliardi di anni fa. Una vita lunga e tumultuosa, piena di avvenimenti straordinari. Eppure, tutto ciò che è accaduto in questi 13.8 miliardi di anni è stato determinato da ciò che si verificò nei primi pochi minuti. Non per niente il Nobel per la Fisica Steven Weinberg ha dedicato un intero libro ai primi tre minuti del Cosmo.
Questi primi istanti sono essenziali perché in questa frazione di tempo vengono cucinati gli ingredienti che consentiranno all’Universo di esistere come lo conosciamo oggi. Minuti frenetici e caotici, nei quali ogni millesimo di secondo porta con sé novità e sorprese.
Il Brodo Primordiale
Sembra ormai certo che all’inizio, per pochi millesimi di secondo, l’espansione sia stata rapidissima, per poi gradualmente rallentare, un brevissimo attimo chiamato “inflazione”. In un batter d’occhio (molto meno di un secondo), il diametro del Cosmo sarebbe cresciuto in maniera esponenziale. Approssimativamente possiamo immaginare che sia passato dalle dimensioni di un atomo a oltre 10 anni luce.
Uno spazio comunque piccolissimo rispetto a quello attuale, nel quale il contenuto veniva schiacciato a densità elevatissime e a temperature estreme. In queste condizioni, la materia come la conosciamo non poteva esistere. Esisteva invece un plasma incandescente, simpaticamente chiamato anche “brodo primordiale”, composto da un mix di fotoni e particelle di materia che costantemente si trasformavano gli uni nelle altre e viceversa.
Ciò non ci deve sorprendere, in quanto sappiamo che materia ed energia sono diverse manifestazioni della stessa entità.
Come i fotoni si trasformavano in materia
In un luogo così piccolo e affollato, era impossibile evitare di scontrarsi. Quando due fotoni entrano in collisione, se la loro energia è sufficientemente alta si trasformano in una coppia di particelle di materia di carica opposta (ad esempio protone-antiprotone, elettrone-positrone).
Il tipo di particelle generate dipende dall’energia dei fotoni. Per creare una coppia protone-antiprotone, ad esempio, servono fotoni molto più energetici di quelli che occorrono per generare una coppia elettrone-positrone, perché i protoni e antiprotoni hanno una massa molto più grande degli elettroni e positroni. Ricordiamo la formula e=mc2, che stabilisce una proporzione diretta tra energia e massa: se sostituiamo numeri ai simboli, è chiaro che aumentando il valore per la massa, aumenterà anche quello dell’energia, e viceversa.
Come abbiamo detto nella nostra piccola introduzione sull’energia, l’energia dei fotoni dipende dalla temperatura (più alta è la temperatura, più alta è l’energia). Poiché l’espansione dell’Universo provoca anche una graduale riduzione della temperatura, ne consegue che la produzione di materia-antimateria tramite collisione di fotoni è potuta avvenire solo nei primi istanti, e che il periodo in cui ciò avveniva sarà diverso a seconda delle particelle create.
I protoni e i neutroni, le particelle più pesanti, sono stati generati nel primo secondo di vita del Cosmo. Dopo 1 secondo infatti, la temperatura è scesa a meno di 10 miliardi di gradi Kelvin, e l’energia dei fotoni non era più sufficiente. La creazione degli elettroni, invece, ha potuto continuare fino a 10 secondi dal Big Bang. Insomma, tutta la materia convenzionale è stata creata nei primi 10 secondi di esistenza del Cosmo! E con un tocco un po’ poetico possiamo dire che la materia è stata generata dalla luce.
Come la materia si trasformava in fotoni
Le particelle di materia che venivano generate dalla collisione di fotoni non avevano vita facile. Ciò è dovuto al fatto che quando due particelle uguali ma di carica opposta (materia e antimateria) si incontrano, si distruggono reciprocamente. E’ un processo chiamato Annichilazione, nel quale le due particelle si trasformano in due fotoni. Nel densissimo brodo primordiale era molto difficile per una particella evitare la collisione con una sua antiparticella. Le coppie generate dallo scontro di due fotoni, quindi, quasi sempre finivano per ritrasformarsi in luce. Luce ad altissima frequenza che, a breve, avrebbe prodotto nuovamente materia.
La fine delle trasformazioni
Come detto, la trasformazione da energia a materia-antimateria si conclude dopo circa 10 secondi, quando i fotoni non avevano più energia sufficiente. La trasformazione da materia-antimateria ad energia, invece, deve aver proseguito finché tutte le coppie di particelle uguali ma di carica opposta si sono annichilate.
Se materia e antimateria fossero state presenti in uguale proporzione, tutte le particelle si sarebbero trasformate in fotoni. In questo caso, proviamo ad immaginare cosa sarebbe successo: avremmo un Universo pieno esclusivamente di luce. Affascinante, forse, ma noi non potremmo esserci ad ammirarlo! Il fatto che ovviamente non è così, dato che esistiamo e siamo fatti di materia, deve significare che per qualche motivo, inizialmente la materia era leggermente più abbondante dell’antimateria, una lieve superiorità numerica che le ha permesso di vincere la battaglia.
Al termine dell’annichilazione, l’Universo era dunque composto dallo spazio in espansione, colmo di una enorme quantità di fotoni e di un piccolo numero di particelle di materia libere, non più a rischio di collisioni e trasformazioni. Questa materia d’ora in poi sarà sempre presente, e sempre la stessa. Nulla più sarà creato ne distrutto.
Dopo essere partiti dalle origini dell’Universo, ora siamo già a buon punto con gli ingredienti del Cosmo attuale. Prendiamoci ora un pochino di tempo per assimilare quanto detto finora. Nella seconda parte di questo articolo descriveremo un altro passo fondamentale compiuto dal Cosmo verso ciò che è oggi. Si tratta della fabbricazione dei nuclei atomici, il tutto avvenuto non oltre i primi 20 minuti.
Cara @Francesca Diodati , premesso che ti ringrazio per spiegare così semplicemente un concetto che ho sempre trovato ostico, vorrei focalizzarmi su questa frase
grande francesca,complimenti,stai facendo un grande lavoro a tappe,soprattutto senza bruciarle e dando come dici,il giusto tempo per assimilarle anche ai non addetti ai lavori,categoria alla quale io appartengo da semplice appassionato...vabbè grazie ancora.
"Al termine dellannichilazione, lUniverso era dunque composto dallo spazio in espansione, colmo di una enorme quantità di fotoni e di un piccolo numero di particelle di materia libere, non più a rischio di collisioni e trasformazioni. Questa materia dora in poi sarà sempre presente, e sempre la stessa. Nulla più sarà creato ne distrutto."
quindi,dopo il primo violento "strappo" (l'inflazione) comincia la più convenzionale,chiamiamola così, espansione dell'universo (che continua tutt'ora)...ok? questi due processi si possono comunque definire sostanzialmente la stessa cosa? con la sola differenza che il primo movimento è stato istantaneo e macroscopico,mentre il secondo si tratterebbe di un processo graduale allo scorrere del tempo? se è così,a naso mi verrebbe da concludere che l'espansione,al raffreddarsi della temperatura, cali la sua forza no? come si spiega allora che ora,dopo quasi quattordici miliardi di anni, essa viene rilevata come un'espansione in accelerazione?
Un enigma contro cui i fisici si battono da sempre, cercando di eliminarla in tutti i modi, magari eliminandola con una teoria fisica che dà un nuovo significato all'intero universo.
Comunque, la singolarità che dà origine al nostro universo contiene tutto: spazio, tempo e energia (o materia, che è lo stesso).
La successiva fase è di "espansione", cioè un effetto residuo dell'inflazione iniziale; in una prima fase rallentata e frenata dalla gravità generata dalla materia, e poi accelerata via via dall'energia oscura.
Forse è un effetto dell'esistenza stessa dello spazio - tempo, generato dalla fluttuazione dei campi quantistici che lo permeano, che per definizione non sono mai a energia zero (energia di punto zero).
Di fatto , una spiegazione definitiva e convincente non c'è...
Grazie @Red Hanuman per la risposta "tra amici"
Complimenti anche da parte mia per tutto il lavoro, esposto poi in maniera comprensibile che persino io riesco ad afferrare! Riguardo a quest'ultima parte direi, detta tra amici, che l'inizio del nostro universo fu caratterizzato da una grande effervescenza condita da "botte da orbi" tra le varie particelle!
Di tutto ciò, quello che più mi sconvolge è questo passaggio:
"In un batter docchio (molto meno di un secondo), il diametro del Cosmo sarebbe cresciuto in maniera esponenziale. Approssimativamente possiamo immaginare che sia passato dalle dimensioni di un atomo a oltre 10 anni luce."
In effetti tutto quanto per la mia mente è catalogabile come "sconvolgente", ma su questo in particolare faccio fatica: 10 anni luce in meno di un secondo? In quegli istanti la fisica doveva essere veramente stravolta rispetto a quella che conosciamo
Attenzione però, @mbrio76: parliamo di espansione DELLO spazio, non di movimenti NELLO spazio. Lo spazio si può espandere come e quanto vuole, cio che si muove al suo interno può muoversi solo alla velocità della luce.
Lo so, fa strano... Ma è così!