Modello Cosmologico Stazionario - Parte 0 (abstract, premessa)

[Sandro84]

Ragazzi riparto all'attacco con le mie idee strampalate su un Universo stazionario, in questi mesi ho cercato di rimettere in ordine un po' di cose. Vi ringrazio per l'aiuto che mi avete dato finora, grazie alle vostre discussioni sono riuscito a far luce su molte mie lacune.

Purtroppo in questi mesi ho avuto pochissimo tempo da dedicare al mio hobby: la cosmologia.
Vorrei comunque sottoporvi le mie conclusioni, e cercare di capire insieme a voi se è tutto da buttare o se c'è qualcosa su cui è possibile lavorare e migliorare.

Ho scritto qualche pagina cercando di mettere qualche concetto nero su bianco. Siccome la discussione è un pochino articolata la dividerò in parti per renderla più digeribile.

Abstract
Oggi il problema più grande della fisica è forse quello di riuscire a conciliare la meccanica quantistica con la teoria della relatività. È secondo opinione di molti che la teoria della relatività è una teoria rimasta incompiuta, ci offre una incredibile ed innovativa descrizione degli effetti della gravità però poco ci dice sulla natura intima dello spazio-tempo.
È per cercare di risolvere questo problema che provo ad offrire una nuova visione di cosa sia lo spazio-tempo andando a sostituire il concetto di "curvatura dello spazio-tempo" con quello di "densità di spazio". Cerchiamo di immaginare lo spazio come una specie di fluido costituito da una fitta rete di elementi. Laddove sia presente della materia questa rete di spazio va ad addensarsi andando a formare dei reticoli più fitti. La presenza di questi addensamenti produce gli effetti della gravità che descrive il moto degli oggetti massivi nello spazio. Gli oggetti massivi hanno semplicemente una maggiore probabilità di muoversi in direzione di uno spazio più denso.
Lo spazio considerato come una forma di energia quantizzabile potrebbe spiegare non solo la gravità, ma persino la materia e l'energia oscura.
Da queste ed altre considerazioni emerge il modello cosmologico stazionario. In questo modello la stazionarietà non è data da una violazione del principio di conservazione dell'energia ma da una violazione del secondo principio della termodinamica. L'energia in questo modello di universo viene riciclata in maniera continua andando a formare una sorta di "Big Bang continuo nel tempo".

Premessa
A volte mi potrò riferire a teorie e supposizioni come fatti comprovati. È un errore grave e vi chiedo anticipatamente scusa. Sono un estraneo ai lavori, che non ha mai pubblicato articoli scientifici, che non ha mai insegnato e che tantomeno non fa lo scienziato nella vita. Non ho la presunzione di apportare rivoluzioni nella fisica, ho semplicemente voglia di dire la mia su un argomento che non mi compete.
Tutto sommato, di concetti strampalati ed innovativi su cui riflettere ne troverete, perciò vi auguro una buona lettura. Conservo la speranza che queste idee possano servire come riflessione per qualcuno con una più ampia conoscienza e preparazione sul mondo fisico e matematico.

“Una nuova idea è una cosa delicata. Può essere uccisa da una smorfia di sarcasmo o da uno sbadiglio; può essere pugnalata da un’arguzia, o ridotta alla disperazione da un sopracciglio inarcato.”
Ovidio

[Sandro84]

Lo spazio-tempo secondo Einstein
Forse la più grande rivoluzione di Einstein è stata concepire lo spazio come un entità fisica. Con le sue proprietà fisiche lo spazio-tempo determina il comportamento inerziale e gravitazionale della materia e tutti i fenomeni elettromagnetici che avvengono nel vuoto. Lo spazio-tempo non può in alcun modo servire come sistema di riferimento perché, con qualunque esperimento noto, è impossibile definire un sistema di riferimento vincolato ad esso, pertanto può essere chiamato ultrareferenziale. Einstein però andò avanti e arrivò a definire un nuovo modello in cui le particelle sono definite come dei particolari stati dello spazio prodotti dall’energia, e non sono più considerate dei corpi estranei allo spazio, come nei precedenti modelli. Cercò di formulare una teoria del campo unificato in cui lo spazio-tempo, con le sue proprietà fisiche, non solo determina l’inerzia e la gravitazione, ma diventa anche il mezzo attivo delle interazioni elettromagnetiche, dato che viene inteso come campo totale di entrambi i tipi di interazioni.
Dobbiamo capire cosa significa veramente curvare lo spazio ed il tempo, non solo dal punto di vista matematico ma da un punto di vista più descrittivo che potremmo definire “chimico-fisico”.


“La massa impone la curvatura allo spaziotempo; lo spaziotempo d’altra parte impone alla massa come muoversi.”
John Wheeler


Meccanica Quantistica
Le entità subatomiche hanno un carattere duale si presentano sia come onde che come particelle. Solo particelle con una massa piccola e veloci, come per esempio gli elettroni, presentano una certa lunghezza d’onda e quindi un carattere duale.
Su tali particelle vige il principio di indeterminazione di Heisenberg, ovvero, c’è un’indeterminazione sulla velocità di una particella quando conosciamo la sua posizione e viceversa. La materia non si trova con certezza in luoghi ben precisi, ma presenta una tendenza a trovarsi. Esiste un’altra incarnazione del principio di indeterminazione, che afferma che anche il tempo e l’energia di un evento sono misurati con precisione inversamente proporzionale. Questo significa che se l’energia di una particella viene misurata con precisione, la misurazione richiederà parecchio tempo, viceversa se vogliamo sapere l’energia di una particella in un determinato momento vi sarà un incertezza.
La meccanica quantistica ha riscosso nel corso degli anni un enorme successo dovuto all'incredibile capacità di poter descrivere il mondo microscopico. Per esempio gli elettroni, negli atomi, si trovano solo su certe orbite dovute al fatto che le onde stazionarie possono assumere solo valori ben precisi in funzione ai numeri quantici. Ad ogni orbita corrisponde un determinato valore di energia, quindi in ogni atomo troveremo diverse orbite con diversi valori di energia. Di norma gli elettroni occupano le orbite con minore energia detta anche orbita fondamentale, tuttavia, quando due atomi si urtano i loro elettroni possono abbandonare l’orbita fondamentale e saltare su un’orbita eccitata (che avrà maggiore energia) a causa dell’energia in eccesso sviluppata durante l’urto. Dopo un breve istante gli elettroni torneranno (di norma) nell’orbita fondamentale liberando un quanto di energia sotto forma di fotoni.

Modello standard della fisica delle particelle
Dodici particelle e quattro forze sono tutto ciò di cui abbiamo bisogno per spiegare quasi ogni fenomeno conosciuto ed il modello standard tiene conto di tutte queste particelle e forze con l’eccezione della forza di gravità.
Il primo passo compiuto per il raggiungimento di tale obiettivo fu la scoperta dei quark. L’enigma dei quark venne risolto utilizzando il pensiero del riduzionismo secondo il quale le leggi che governano le parti possono essere più semplici di quelle che governano l’insieme. Anziché cercare le risposte nelle forze che governano i protoni e neutroni si cercò la via attraverso cui particelle più semplici (i quark appunto) interagiscono.
Un secondo passo fu capire che le due forze nucleari (forte e debole) insieme all’elettromagnetismo potevano essere tutte considerate come conseguenza del semplice, ma potente, principio di gauge concepito da Herman Weyl nel 1918. Molti fisici ritengono che le teorie di gauge possano fornire una base unificata per la comprensione di tutte le forze della natura, gravità compresa (da cui la nascita del gravitone).
Successivamente, nel 1967, Steven Weinberg ed Abdus Salam scoprirono che combinando il principio di gauge con la rottura spontanea della simmetria è possibile costruire una teoria che unifica la forza elettromagnetica e quella nucleare debole. Prima si riteneva che le proprietà delle particelle elementari fossero determinate direttamente da leggi naturali stabilite per sempre, mentre la rottura spontanea della simmetria fa entrare in scena la possibilità che le caratteristiche delle particelle dipendano dalla loro storia e dall’ambiente in cui si sono formate. Le proprietà delle particelle potrebbero essere influenzate dalla regione dell’universo nella quale si sono formate e/o potrebbero cambiare nel corso del tempo. Si ritiene che l’universo alle origini avesse una temperatura tale da impedire la transizione di fase dei campi di gauge. Alla temperatura critica di 3000 bilioni di gradi si ha una sorta di “congelamento” delle forze, in cui forza elettrica e interazioni deboli manifestano la loro unità essenziale mentre a temperature inferiori le forze nell’universo sono come le conosciamo.
Nei primi anni 70 fu sviluppata la cromo dinamica quantistica o QCD applicando il principio di gauge all’interazione nucleare e dimostrando che anche tale forza origina da un campo di gauge.
La QCD ed il modello Weinberg-Salam sono alla base del modello standard della fisica delle particelle. La natura ci presenta oggi una varietà di tipi di particelle e di interazioni. Eppure scrutando oltre questa diversità si nota che sono solo aspetti molteplici della stessa teoria matematica. L’universo è così freddo da oscurare queste simmetrie che non possono essere viste nei fenomeni fisici comuni.

[Sandro84]

Determinismo o probabilismo?
I limiti imposti dalla meccanica quantistica sono dovuti ad una impossibilità di indagare con precisione l’infinitamente piccolo, impossibilità dovuta esclusivamente alle diverse scale di grandezza tra osservatore e sistema osservato ed alla loro stretta associazione al momento della misurazione. Anche l’infinitamente piccolo così come ogni altro oggetto dell’Universo obbedisce a regole fisiche ben precise, quello che ai nostri occhi appare come un evento associato ad una intrinseca probabilità potrebbe benissimo essere invece considerato una certezza se osservato con occhi capaci di indagare alla scala di Plank. Non potremo mai avere tutte le informazioni su una determinata particella poiché essa non è separata né dall’osservatore, né dalla strumentazione dell’osservatore, né dal resto dell’Universo, di conseguenza il numero di informazioni per descriverla risulterebbe assurdo. Questo implica che la conoscenza di tutte le informazioni su una determinata particella si possa ottenere soltanto “scattando una fotografia dell’intero Universo”. Ogni volta che osserviamo un fenomeno e ne prediciamo gli esiti, stiamo facendo un'enorme approssimazione, se cerchiamo cause non solo necessarie ma sufficienti, dobbiamo ricercarle in distanze spaziali e temporali su scala cosmologica. Possiamo solo immaginare di formulare una descrizione esatta di tutte le variabili necessarie per descrivere le interazioni di tutte queste variabili. Da questo deriva l'incertezza. L'Universo potrebbe essere determinato, la meccanica quantistica non fa eccezioni, ed il libero arbitrio sarebbe un invenzione umana. Il determinismo potrebbe essere l'unica realtà dell'Universo che a causa della sua intrinseca inaccessibilità nell'infinitamente piccolo ci appare come un probabilismo.
C'è una grossa differenza tra quello che percepiamo e quello che esiste. Per esempio, attraverso la nostra coscienza, percepiamo che siamo esseri in grado di compiere delle scelte. Ma in realtà questa è solo una percezione. Sarebbe più logico supporre che, così come possiamo prevedere che domani la Terra avrà fatto un nuovo giro su se stessa, sia possibile prevedere ogni nostra “scelta”.

“Dio non gioca a dadi.”
Albert Einstein

Energia del vuoto
Nella vita di tutti i giorni siamo abituati dal nostro intelletto a distinguere e classificare ogni aspetto della realtà, dividiamo il mondo in oggetti ed eventi separati, rimaniamo inconsapevoli dell’unità di tutte le cose. Questa divisione è radicata nei nostri sensi e nel nostro intelletto e ci è utile, per ovvie ragioni, per muoverci nel nostro ambiente quotidiano, ma non è un aspetto fondamentale della realtà. Questa divisione è anche alla base dei comportamenti più sciocchi dell’uomo, non abbiamo rispetto né della natura né di qualunque altra cosa che ci sta intorno, persone comprese, proprio perché non riusciamo a cogliere questo collegamento fra le diverse entità. Ma non facciamocene una colpa, la nostra coscienza si è evoluta per farci vedere principalmente noi stessi ed il nostro piccolo mondo, dopotutto ci siamo evoluti in un ambiente selvaggio e la nostra esistenza è legata ad un effimero disequilibrio con la natura. Dunque non mi stupisco più di tanto che l'uomo ambisca al potere.
Un’altra distinzione che siamo soliti fare è quella fra vuoto e pieno, immaginiamo spesso la materia distinta e separata dallo spazio vuoto. Il concetto di spazio vuoto è un po' fuorviante in fisica, e spesso viene confuso con il “nulla”. Su scala microscopica il mondo sembra essere immerso in una continua attività di creazione e distruzione. Le fluttuazioni quantistiche sono responsabili di questa energia, e rappresentano solo una maniera per descrivere quella regione di spazio che siamo soliti chiamare vuoto e nella quale avvengono tutta una serie di processi che possono essere riassunti in una continua creazione e distruzione di particelle, un brulicare di energia che prende vita da un’apparente nulla. È come se spazio vuoto e materia siano due aspetti di una medesima realtà ed in modo dinamico si trasformano l’uno nell’altro. Il tempo di vita di queste particelle è molto breve tanto che lo spazio vuoto appare effettivamente vuoto e per questa loro caratteristica queste particelle vengono dette virtuali. Tuttavia è grazie a queste particelle che vengono spiegati tutta una serie di fenomeni fisici fra cui: l'effetto Casimir, lo spostamento di Lamb, l'emissione spontanea, le forze di van der Waals, la polarizzazione del vuoto, l'effetto tunnel quantistico, l'evaporazione dei buchi neri ed alcuni tipi di interazione che danno vita al campo di forze (campo elettrostatico, campo di Yukawa e campo gluonico). È come se il vuoto, con le sue particelle virtuali fungesse da serbatoio energetico in continua interazione con la materia ordinaria.
La descrizione in termini di campi assegna alle particelle in modo naturale un numero limitato di attributi, tra i quali una massa, uno spin e uno o più tipi di carica. Inoltre, le stesse interazioni tra particelle sono indotte da scambi di altre particelle: ad esempio, l’ordinaria repulsione coulombiana tra due elettroni può essere vista come il risultato di uno scambio di fotoni. Questa proprietà è alla base della tecnica assai suggestiva dei “diagrammi di Feynman”, che consente di collegare le probabilità di reazione, note nella letteratura come “sezioni d’urto”, a processi elementari nei quali le particelle reagenti generano i prodotti di reazione attraverso la formazione di altre particelle in stati intermedi.
È secondo opinione di molti che l'energia del vuoto potrebbe in qualche modo andare a spiegare la presenza della così detta energia oscura che crea gli effetti di una costante cosmologica in grado di accelerare l'espansione dell'universo.

“Lo spazio vuoto non è vuoto. In realtà è la regione dove avvengono i fenomeni fisici più violenti.”
John Wheeler

Energia oscura e costante cosmologica
L'energia oscura sembra differire da qualsiasi altra forma di energia e materia poiché non è associata ad alcun tipo di particella od onda. Non sappiamo cosa essa sia, si manifesta come una fonte di attrazione gravitazionale diffusa uniformemente nello spazio. Si sa che possiede omogeneità e densità non elevata, e che non interagisce fortemente con alcuna delle forze fondamentali, eccetto la gravità. Dal momento che non è molto densa è improbabile immaginare esperimenti per trovarla in laboratorio. L'energia oscura può tuttavia avere un forte impatto sull'universo, costituendo circa il 70% di tutta l'energia e colmando uniformemente lo spazio vuoto.
L’energia oscura è un’energia associata allo spazio vuoto. Dal momento che energia e massa sono unite dalla formula E=mc², in base alla teoria della relatività generale l'energia del vuoto produrrà effetti gravitazionali assumendo il ruolo di costante cosmologica e questo è il motivo per cui l’espansione accelera la sua corsa.

Materia oscura
La materia oscura fu scoperta intorno al 1930 da Fritz Zwicky mentre studiava i movimenti rapidi delle galassie nei loro ammassi. Zwicky capì che l’elevata velocità del movimento orbitale delle galassie poteva essere spiegata solo se si ammetteva che le galassie fossero rappresentate da molta più energia di quella visibile. Nelle galassie doveva esserci una forma di energia invisibile ma che forniva ad esse la maggior parte delle loro masse. Un ulteriore prova dell’esistenza della materia oscura risiede nell’effetto di lente gravitazionale, i raggi luminosi sono curvati dal campo gravitazionale della materia oscura.
Sulla natura della materia oscura c’è un mistero irrisolto: non sappiamo la sua composizione, non sappiamo cos’è ma sappiamo quello che fa. La materia oscura è quasi completamente inerte, non emette ne assorbe luce, tuttavia è influenzata dalla forza di gravità e a sua volta ha effetti gravitazionali. Essa insieme all’energia oscura compone circa il 95% dell’energia dell’universo.

[Sandro84]

Quantizzare lo spazio
Un passo fondamentale per capire la natura intima dell'Universo sarà riuscire a quantizzare lo spazio. Abbiamo visto come lo spazio non può essere ridotto a substrato inerme nel quale agiscono i fenomeni fisici. Lo spazio ha un ruolo attivo, partecipa e da il suo contributo alla realizzazione di ogni fenomeno in natura. Dobbiamo imparare ad immaginare lo spazio come un reticolo tridimensionale nel quale sono immersi la materia e le radiazioni, solo così riusciremo a conciliare la relatività con la meccanica quantistica fornendo risposta a numerosi interrogativi il più importante dei quali a mio avviso è capire il funzionamento della gravità.
Importanti settori di ricerca diretti in questo ambito hanno avuto e stanno avendo numerosi successi, come nel caso della teoria delle stringhe, ma soprattutto la gravità a loop.
Possiamo immaginare lo spazio formato da minuscoli mattoncini dalle dimensioni infinitesimali, e capire il funzionamento di questi mattoncini sarà l'unico modo per capire fino in fondo la natura. Tuttavia ci è impossibile indagare la natura al di sotto di certe scale e probabilmente l'impossibilità resterà per molto tempo. L'unica cosa che possiamo fare è ipotizzare la forma, la geometria ed il modo in cui questi mattoncini interagiscono fra loro per creare tutto quello che osserviamo in natura. Secondo la mia teoria questi mattoncini rappresenterebbero la vera particella fondamentale sottostante la natura, l'Universo sarebbe quindi composto unicamente da questi mattoncini che a seconda della loro geometria e delle loro interazioni possono formare spazio, materia, radiazione, energia oscura e materia oscura, ovvero l'Universo. In altre parole lo spazio non è altro che una forma di energia formata dalla stessa sostanza di cui è composta la materia e qualsiasi altra cosa nell'Universo. La forma di questi mattoncini potrebbe essere benissimo quella di una stringa, o di un anello (gravità a loop), o persino una superficie bidimensionale (spin foam). Una volta che avremmo capito la forma, le geometrie ed il modo di interazione di questi mattoni avremmo capito non solo i meccanismi quantistici della gravità, avremmo capito anche il funzionamento e la natura della materia oscura e dell'energia oscura.
La bellezza della teoria delle stringhe è la sua incredibile semplicità concettuale. In tutte le teorie le leggi del moto descrivono come si muove una particella in assenza di forze esterne e le leggi che governano le forze non presentano alcuna connessione logica con le leggi del moto. Nella teoria delle stringhe succede una cosa fantastica, il moto viene unificato alle forze, le quali presentano la stessa, semplice origine, derivano tutte dalla rottura e dall’unione di stringhe. Tutte le forze ed il moto sono spiegati attraverso l’esistenza di sole due costanti fondamentali, la tensione della stringa, che descrive la quantità di energia contenuta nella stringa per unità di lunghezza e la costante d’accoppiamento che rappresenta un numero compreso fra zero e uno che descrive la probabilità che una stringa si divida per dare origine ad una forza. La costante d’accoppiamento non è data dalla teoria ma deve essere ricavata dall’ambiente in cui la stringa viene a trovarsi. Una stringa unidimensionale che si muove nel tempo crea una superficie bidimensionale nello spazio-tempo definita grossomodo come prodotto tra la lunghezza della stringa per la sua durata nel tempo. Il movimento della stringa è tale da minimizzare quest’area. Una legge concettualmente semplice spiega il movimento delle stringhe e, se permettiamo ad esse di spezzarsi e di unirsi, l’esistenza di tutte le forze. La teoria unifica le particelle, le forze ed il movimento, ed è più semplice delle leggi che descrivono le singole cose che unifica.
La gravità a loop affronta il problema principale della fisica, in maniera lungimirante e con un intuizione sorprendente affermando che lo spazio è una realtà fisica tangibile e che non possa essere diviso infinitamente, ma debba, invece, essere quantizzato. Questa è, secondo me, l'unica strada per giungere a profondi progressi nel campo della fisica, la quantizzazione dello spazio sarà l'unico modo di spiegare coerentemente la gravità. La gravità a loop oltre a dare una spiegazione coerente della gravità attraverso la descrizione fine dello spazio dovrebbe sforzarsi di ricercare l'unità e la simmetria tra spazio, materia ordinaria, radiazione, energia oscura e materia oscura.
La teoria delle stringhe e la gravità a loop hanno molto in comune, entrambe hanno compreso che la soluzione per avere progressi in fisica vada ricercata nell'infinitamente piccolo, entrambe le teorie hanno compreso che la matematica è uno strumento incredibilmente utile per la ricerca di ciò che non possiamo osservare direttamente (altro strumento utile potrebbe senz'altro essere l'utilizzo di potenti calcolatori per simulazioni virtuali) ed entrambe ricercano un qualche mattone fondamentale con forme semplici e proprietà semplici per spiegare i fenomeni più complessi.
Non so se sia possibile o se mai sarà possibile avere una quantizzazione coerente dello spazio (per quantizzazione coerente intendo non solo attribuire un valore di energia allo spazio, ma definirne anche la geometria, i meccanismi di interazioni e l'eventuale forma o forme dei costituenti fondamentali), è un'impresa colossale, ma sono fiducioso. Probabilmente una definizione dettagliata e verificabile non potrà essere ottenuta, ma una buona approssimazione potrebbe essere un traguardo raggiungibile.
La quantizzazione dello spazio dovrà prevedere la simmetria tra spazio, materia e radiazione. Dovrà spiegare la forza di gravità, la materia e l'energia oscura come conseguenza della geometria dello spazio. Dovrà spiegare tutte le interazioni della materia, l'antimateria, particelle virtuali e fotoni, fra di loro ed il loro movimento nello spazio. Potrebbe essere la tanto agognata “teoria del tutto” in grado di spiegare ogni meccanismo nell'Universo.

“La fisica moderna... ha posto il nostro pensiero circa l’essenza della materia in un contesto diverso. Essa ha spostato la nostra attenzione dal visibile, le particelle, all’entità soggiacente ad esse, il campo. La presenza di materia è solo una perturbazione dello stato perfetto del campo in quel punto; si potrebbe quasi dire che è qualcosa di accidentale, soltanto un “difetto”. Di conseguenza, non ci sono leggi semplici che descrivono le forze tra le particelle elementari... Ordine e simmetria devono essere cercati nel campo soggiacente ad esse.”
Walter Thirring

[Sandro84]

Considerazioni sul tempo
Che cos'è il tempo? Questa domanda può sembrare solo apparentemente banale. Il concetto di tempo è sempre stato avvolto da un alone di mistero. Possiamo dire che il tempo non è una proprietà fondamentale della natura come può esserlo lo spazio o più in generale l'energia. È una proprietà emergente dal fatto che l'energia non è statica, ma si muove. E ci è utile per descrivere questi movimenti, ma non è nient'altro che questo, il tempo è utile per descrivere ma non è qualcosa di tangibile, non è parte dello spazio, non è qualcosa di fondamentale, non ha proprietà fisiche, ne dimensioni. Il tempo esiste finché l'energia si muove, se l'energia, per qualche ragione si fermasse, allora anche il tempo si fermerebbe e perderebbe senso, non esisterebbe più. Il tempo mette in relazione gli oggetti dotati di energia. Senza energia non c'è tempo, lo spazio è da considerarsi come una forma di energia ed è per questo che è strettamente associato al tempo.
La relatività funziona così bene proprio perché ha compreso e sfruttato questa stretta associazione. Einstein capì che il tempo non è assoluto ma dipende dalla qualità dello spazio in cui è misurato (dipende anche dalla velocità alla quale ci si muove nello spazio). Non è corretto, a mio avviso, parlare di spazio-tempo quando si descrive la natura intima dello spazio, non si può mettere il tempo sullo stesso piano dello spazio. Lo spazio è l'unica realtà, il tempo serve solo a descriverne le relazioni. Quando diciamo che lo spazio-tempo può essere “curvato” sbagliamo poiché l'unica realtà a “curvarsi” è lo spazio, ed a causa di questo suo “curvarsi” fa muovere l'energia più o meno velocemente, quindi il tempo verrà percepito in maniera diversa a seconda della “curvatura” dello spazio. Ho messo fra virgolette la parola “curvatura” poiché come vedremo quella che viene interpretata come curvatura dello spazio-tempo potrà essere vista come variazione nella densità dello spazio. Il tempo non può essere considerato una realtà fisica, non è qualcosa di reale, è un astrazione a noi molto utile. È sbagliato dire il tempo scorre intendendo il tempo come se fosse qualcosa di concreto ed assoluto, è più corretto dire che l'energia interagisce, che l'energia si muove. L'energia non si muove ovunque allo stesso modo, quindi neanche il tempo scorrerà allo stesso modo ovunque ma dipenderà dalla qualità dello spazio in cui viene misurato. Il tempo è una proprietà emergente, non ha senso parlare di tempo alla scala di planck, è un indice “macroscopico” delle relazioni tra diverse entità dotate di energia.
Un errore della relatività è considerare lo spazio-tempo come un continum spaziotemporale. Quantizzando lo spazio nasce l'esigenza di quantizzare anche il tempo. Così come le unità fondamentali dello spazio (e dell'energia in generale) dovrebbero essere di dimensioni intorno alla scala di Plank, allo stesso modo anche il tempo (come descrizione di relazione tra entità) avrà delle dimensioni minime poiché non ha senso descrivere la relazione tra entità più piccole di quelle fondamentali. Alla scala di Plank i fenomeni ci apparirebbero discreti con un tempo che “scorre” a scatti e lo spazio ci apparirebbe come un discretum spaziotemporale.

[Sandro84]

Energia di punto zero
Energia di punto zero non è che un altro modo per descrivere l'energia dello spazio vuoto (ovvero spazio in assenza di materia e radiazioni). Definire lo spazio vuoto è un errore alla luce di quello che ormai sappiamo dello spazio, errore che tuttora viene perseverato in molti testi e discussioni. Lo spazio ha un valore minimo di energia, e come abbiamo visto, ci sono numerose prove a sostegno di quest'affermazione. Molte ricerche in campo energetico si stanno infatti indirizzando nel cercare un modo per estrapolare questa energia dallo spazio ottenendo così una quantità praticamente infinita di energia pulita. È plausibile ritenere che in futuro saremmo in grado di utilizzare quest'energia e potrà persino essere utilizzata come mezzo di propulsione per motori futuristici.
Mi piace pensare che nell'Universo l'energia si conservi, nonostante la meccanica quantistica ami confonderci le idee al riguardo. L'energia di punto zero ne è un esempio, sembra che per dimensioni piccolissime e per tempi altrettanto piccoli il principio di conservazione venga violato, sembra che sia possibile ottenere energia gratis prendendola in prestito dallo spazio. Tuttavia se noi consideriamo lo spazio come un intricata rete di oggetti dotati di energia e fra di loro connessi, è possibile ipotizzare che in qualche modo la rete subisca delle leggere fluttuazioni quantistiche che la portino ad addensarsi in alcuni punti ed allentarsi in altri. Laddove questi addensamenti sono più intensi si potranno formare coppie di particelle virtuali. Più avanti ipotizzerò anche un nuovo modo alquanto bizzarro per descrivere queste fluttuazioni.

Esperimento dell'effetto Casimir
Una buona teoria, per essere davvero buona dovrebbe poter essere falsificabile, o almeno prevedere degli esperimenti che ne possano avvalorare o smentire le aspettative.
Questo primo esperimento che propongo prevede di analizzare l'effetto Casimir lontano dal sistema solare. L'effetto Casimir è una forza attrattiva che si esercita fra due corpi estesi situati nel vuoto, dovuta alla presenza del campo quantistico di punto zero.
Per certi versi, l'energia oscura può essere interpretata come l'energia di punto zero, o energia dello spazio. In ogni caso si ritiene che sia l'energia oscura sia l'energia di punto zero siano distribuiti omogeneamente nell'universo. Quindi quello che dovremmo aspettarci dall'esperimento è che l'effetto Casimir misurato qui sulla Terra sia lo stesso misurato al di fuori del sistema solare.
Secondo il mio modello dovrebbe accadere qualcosa di diverso, poiché la densità dello spazio non è omogenea in ogni punto. Lo spazio media gli effetti della gravità aumentando la densità laddove ci sia massa ed essendo lo spazio stesso una componente energetica ha esso stesso effetti gravitazionali, prendendo il posto della materia oscura. Quello che ci si aspetterebbe da questo esperimento, secondo il mio modello, è di poter rilevare un effetto Casimir che si riduce proporzionalmente all'allontanarsi dal campo gravitazionale. Potrebbe essere persino sufficiente non spingerci necessariamente al di fuori del sistema solare per verificare quest'ipotesi ma semplicemente allontanarsi dalla gravità terrestre.
Nel caso in cui questa ipotesi si riveli corretta si dimostrerebbe che la “qualità” dello spazio varia in presenza di materia, inoltre offrirebbe una evidenza in più che lo spazio stesso media gli effetti della gravità (nessun gravitone quindi), ed inoltre darebbe allo spazio il titolo di “componente più probabile per spiegare la materia oscura e l'energia oscura”.

[Sandro84]

La natura intima dello spazio
Mi piace pensare che l'intero Universo sia costituito da stringhe, non perché ami particolarmente la teoria delle stringhe piuttosto perché mi sembrano i costituenti più semplici che si possano immaginare per dare vita ad ogni forma di energia, spazio compreso. Inoltre ipotizzare che l'Universo sia costituito da stringhe può essere utile a spiegare un meccanismo di “riciclo” dell'energia che vedremo più avanti.
Non ho idea di quali possano essere tutte le proprietà di queste stringhe così come non ho idea di come possa essere la geometria dello spazio da esse formata, farò solo delle supposizioni su alcune caratteristiche che, credo, lo spazio debba avere.
Innanzitutto lo spazio ha una grande versatilità, può trasformarsi, in particolari condizioni, in materia e radiazioni e la materia e le radiazioni possono a loro volta decadere trasformandosi in spazio. Le particelle virtuali responsabili delle fluttuazioni del vuoto e di numerosi fenomeni fra cui le forze atomiche e subatomiche, prendono vita, se pur per breve tempo, proprio da questo intricato mare. Quindi non solo le particelle virtuali possono trasformarsi in spazio ma anche la materia ordinaria può farlo in particolari condizioni che vedremo avanti.
L'energia dello spazio “vuoto” non è quindi data solamente dalla possibilità dello spazio vuoto di formare particelle virtuali ma bensì dalla sommatoria di tutte le stringhe presenti in quella regione di spazio apparentemente vuota. In quest'ottica lo spazio rappresenterebbe una fonte di energia estremamente abbondante nell'Universo, seppur “diluita” rispetto ad altre forme come ad esempio la materia. Spazio vuoto ed energia oscura nel mio modello coincidono, sono sinonimi per indicare la medesima realtà, ovvero un reticolo di spazio che si estende in tutto l'Universo.
Immaginiamo ora che il reticolo dello spazio non sia dappertutto uguale, immaginiamo che le stringhe, con qualche meccanismo, possano distribuirsi formando dei reticoli più o meno densi. Supponiamo che lo spazio tenda a formare dei reticoli più densi in prossimità della materia, e che al crescere della massa dell'oggetto aumenti la densità di questi reticoli di spazio e cresca anche il loro raggio d'azione. Quello che sto facendo è sostituire il concetto di curvatura spaziotemporale (campo gravitazionale) con quello di densità di reticoli spaziali. In un sol colpo viene descritta sia la presenza della forza di gravità che della materia oscura. La materia oscura quindi non sarebbe formata ne da WIMP, ne da neutrini, ne da un qualsiasi altro tipo di materia a noi invisibile. Lo spazio stesso sarebbe responsabile della materia oscura, che quindi in questo modello non ha ragione di esistere, lo spazio addensandosi intorno agli oggetti dotati di massa, aumenta il contenuto di energia nel volume tutt'intorno (amplificando gli effetti gravitazionali) ed è allo stesso tempo mediatore degli effetti gravitazionali.
Con questa descrizione divengono più chiare alcune caratteristiche della relatività. Un osservatore che si trova lontano da un campo gravitazionale percepirà uno scorrere del tempo più veloce rispetto ad un osservatore immerso in un campo gravitazionale poiché interagirà con meno stringhe di spazio. In maniera analoga se rimaniamo immobili il nostro tempo risulterà più veloce rispetto ad un osservatore che si sta muovendo nello spazio, poiché quest'ultimo interagirà con una quantità maggiore di stringhe di spazio. Il tempo descrive le interazioni tra le forme di energia, e poiché lo spazio è una forma di energia, la sua densità influenza lo scorrere del tempo. Quindi lo scorrere del tempo è strettamente associato all'interazione con lo spazio. Questa interazione può variare sia in relazione della densità dello spazio (in presenza di campi gravitazionali) sia in base alla velocità relativa dell'oggetto in questione nello spazio.

La gravità statistica
Il motivo per cui la conciliazione tra teoria della relatività e meccanica quantistica rimane tanto difficile è perché ci si sforza di immaginare la gravità alla stregua delle altre forze. I successi della meccanica quantistica, della teoria dei campi e della QED ci hanno portato ad immaginare che la gravità potesse avere come mediatore una particella (gravitone). Ma la teoria della relatività ci insegna che lo spazio (e di conseguenza il tempo) è qualcosa di relativo, che in qualche modo può essere modificato, per esempio dalla gravità. Quantizzando opportunamente lo spazio, la gravità emerge spontaneamente. La gravità non è altro che la descrizione del moto degli oggetti nello spazio quantizzato. Lo spazio stesso è il mediatore degli effetti gravitazionali. La gravità è profondamente differente dalle forze che tengono unite le particelle, non vengono scambiate particelle tra corpi attratti gravitazionalmente. Il concetto di campo gravitazionale è quindi sostituito da quello di una geometria dello spazio intorno al corpo dotato di massa che si presenterà con un reticolo in una forma più densa rispetto ad altri punti dello spazio dove la massa non è presente. Il moto dei corpi, così come quello delle radiazioni è favorito in direzione di una maggiore densità del reticolo spaziale per ragioni probabilistiche.
Mettiamoci nei panni di Newton alla luce di quello che ora sappiamo (supponiamo di sapere), stiamo tranquillamente riposando all'ombra di un melo quando all'improvviso avviene l'inevitabile, o per meglio dire il più probabile, una mela si stacca dall'albero ed invece di volare via nel celo, ci cade in testa. La statistica determina la direzione del moto, non c'è una vera e propria forza che esercita una pressione sulla mela che la obbliga a caderci in testa. Semplicemente la mela segue il percorso più probabile che coincide con quello nella direzione in cui il reticolo dello spazio è più denso. La quantizzazione dello spazio prevede che un oggetto per potersi muovere nello spazio è obbligato ad interagire con lo spazio stesso, di conseguenza l'oggetto avrà più probabilità di interazione nella direzione di un reticolo di spazio denso rispetto ad uno meno denso.

“Bisogna rendere ogni cosa il più semplice possibile, ma non più semplice di ciò che sia possibile!”
Albert Einstein

Esperimento della luce lenta e della luce veloce
Si è soliti definire il fotone come una particella priva di massa che nel vuoto si propaga con una certa lunghezza d'onda alla velocità della luce che rimane costante (quasi 300'000 km/s).
Tenendo a mente questo nuovo modello di quantizzazione dello spazio, il fotone si muove interagendo di continuo con il reticolo dello spazio. Una conseguenza naturale del modello è che, come viene effettivamente osservato, i fotoni pur non avendo massa risentono dell'attrazione gravitazionale (effetto lente gravitazionale).
La velocità di queste interazioni determina il limite massimo di velocità che può raggiungere una radiazione elettromagnetica propagandosi nel vuoto, ovvero la velocità della luce. Se presumiamo che la larghezza delle maglie del reticolo possa essere nell'ordine di grandezza delle dimensioni delle stringhe in un secondo un fotone interagirebbe con almeno 1043 stringhe. Si evince che un fotone mentre attraversa un reticolo spaziale denso si muoverà più lentamente, mentre quando attraverserà un reticolo di spazio meno denso andrà più velocemente. Di conseguenza la velocità della luce nel vuoto non è costante ma dipenderà dalla densità del reticolo spaziale. Dipenderà ovviamente anche dal reticolo spaziale in cui è immerso l'osservatore che effettua la rilevazione. L'effetto lente gravitazionale rappresenta quindi una sorta di rifrazione dei raggi luminosi ad opera del campo gravitazionale della stella.
La velocità della luce potrebbe essere influenzata anche dal modo in cui la luce si propaga nel vuoto. Sappiamo che la luce si presenta con diverse lunghezze d'onda, in linea teorica il modello prevede che le onde elettromagnetiche si propagano con una velocità crescente al crescere della lunghezza d'onda. Dei raggi gamma si muoveranno quindi ad una velocità di poco inferiore rispetto alle onde radio (entrambi nel vuoto), poiché nel loro movimento i raggi gamma avranno un numero di interazioni con le stringhe dello spazio maggiore rispetto alle onde radio, per un effetto paragonabile all'attrito. Un po' come se lo spazio si comportasse come un fluido, con una viscosità molto bassa, nel quale è immersa la materia. Se con un esperimento si riuscisse a scoprire l'incostanza della velocità della luce, potrebbe essere considerata come una prova del fatto che i fotoni così come la materia nel loro moto nello spazio interagiscono con lo spazio quantizzato e la velocità di questi scambi determinano il limite al quale la radiazione può muoversi.
Questo sembra un po' un ritorno al passato, a quando inizialmente Maxwell diede ai risultati ottenuti una spiegazione meccanicistica, interpretando i campi come stati di tensione in un mezzo leggero chiamato etere luminifero e le onde elettromagnetiche come onde elastiche di questo etere. In questo modello, lo spazio è visto come un vero e proprio etere sul quale si adagiano le altre forme di energia, ma con la differenza (rispetto a Maxwell) che l'etere in questione non si trova immerso nello spazio, ma è lo spazio stesso.

[Red Hanuman]

Mi spiace, @Sandro84. ma non esiste che tu suddivida un argomento unico in così tanti 3d. Li raggruppo tutti qui, e si discute su tutti qui.

[Gaetano M.]

Messaggio per seguire (per adesso!)
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[Sandro84]

Osservare il cosmo
Il Sole è solo una fra i cento miliardi di stelle che formano la Via Lattea, a sua volta la Via Lattea è solo una fra i cento miliardi di galassie osservabili con i moderni telescopi. Se a questo aggiungiamo che l’universo osservabile rappresenta solo un’infinitesima parte dell’intero Universo capiamo che quello che vogliamo descrivere fa parte di una ricchezza di complessità infinita.
Per risolvere la struttura e l’evoluzione dell’universo, una strada da seguire consiste nel raccogliere la luce proveniente da sorgenti lontane. La luce, come ogni altra radiazione elettromagnetica, viaggia nel vuoto ad una velocità di circa 300.000 km/s, una velocità sorprendentemente elevata seppure finita. Per questa ragione le immagini astronomiche mostrano gli oggetti non come essi sono oggi, ma come erano un tempo. Più guardiamo lontano e più guardiamo nel passato. Per esempio guardando la Luna abbiamo un’immagine spostata nel tempo di circa un secondo e mezzo, invece guardando il sole esso ci appare come era circa 6 minuti fa. Spostandoci al di fuori del sistema solare ed andando ad osservare la stella più vicina, Proxima Centauri, essa ci appare come era 4,2 anni fa poiché la sua distanza da noi è di 4,2 anni-luce. Mentre per quanto riguarda la galassia a noi più vicina, la galassia di Andromeda, la distanza sale a 2,538 milioni di anni luce, questo vuol dire che la sua luce ha impiegato 2,538 milioni di anni per raggiungerci, la vediamo quindi come era 2,538 milioni di anni fa. I telescopi sono quindi una sorta di macchina del tempo che ci permette di guardare nel passato.

Huble e la scoperta dell'espansione
Nel 1929, l’astronomo americano Edwin Hubble scoprì sperimentalmente che le galassie si allontanano le une dalle altre e che questa espansione è direttamente proporzionale alla distanza tra di esse. In altre parole, Hubble scoprì che l’universo è in espansione. Questa scoperta fu ovviamente una delle più grandi rivoluzioni intellettuali del XX secolo.
L'espansione dell'universo viene considerata dai cosmologi come espansione dello spazio-tempo, nel quale sono immerse le galassie, che non risentono grossomodo dell'espansione al loro interno per merito della forza di gravità. L'analogia che viene proposta di solito per spiegare l'espansione è quella di immaginare un palloncino che si gonfia, e noi siamo situati sulla superficie bidimensionale di quel palloncino, dei puntini disegnati sul palloncino (le galassie) si allontaneranno da noi a velocità proporzionale alla distanza e la superficie del palloncino pur essendo finita è senza bordi, un po' come accade sulla superficie della Terra, al di là dell'orizzonte ci sarà un altro orizzonte e così via. Ovviamente per quanto riguarda l'Universo dobbiamo considerare una dimensione in più rispetto all'esempio col palloncino, quella che si espande non è una superficie ma un volume, che analogalmente potrà essere considerato, se pur finito, senza ne bordi ne centro. L'espansione non è vista come una bomba che esplode i cui frammenti si allontanano dal centro dell'Universo verso l'esterno, ma è visto come un fenomeno di espansione avvenuto in ogni punto dell'Universo. Non c'è nessun centro e nessun bordo. In questo modo è spiegata l'isotropia che si osserva nell'universo su grande scala. Ma nessuno sa dire come o perchè sia iniziata questa espansione.
A causa del limite imposto dalla velocità della luce, non possiamo conoscere le attuali dimensioni dell'Universo, ne possiamo conoscere la sua forma. Però conosciamo le dimensioni e la forma dell'universo osservabile, sappiamo che l'universo osservabile è un ipersfera con un raggio molto più grande rispetto all'età dell'universo che è circa 13,7 miliardi di anni, poichè nel frattempo la luce ha attraversato uno spazio-tempo che si è espanso, quindi il raggio sarà di un valore di circa tre volte superiore a questo valore.

La radiazione cosmica di fondo
Il limite di ciò che possiamo osservare è fissato a 13,7 miliardi di anni-luce e rappresenta l’immagine che otteniamo osservando la radiazione cosmica di fondo (CMBR o CMB Cosmic Microwawe Background Radiation) emessa appena 380.000 anni dopo il Big Bang quando si formarono i primi atomi di materia.
Una importante considerazione emersa dallo studio della radiazione è che lo spazio su grande scala presenta una curvatura trascurabile in altre parole è uno spazio con geometria piatta, ne aperta ne chiusa. Se lo spazio è euclideo le equazioni di Fridman diventano molto semplici: la velocità di espansione dell’universo è proporzionale alla radice quadrata della densità di energia. Possiamo descrivere una storia dell’universo composta di tre parti principali: all’inizio le radiazioni sono il fattore principale a determinare la densità di energia e si avrà un espansione elevatissima. Nella seconda fase inizia a formarsi la materia e la velocità di espansione decresce bruscamente a seguito dell’attrazione gravitazionale. Infine nell’ultima evoluzione dell’universo la materia diventa sempre più rarefatta lasciando spazio all’energia del vuoto e si assiste ad un’accelerazione nel processo di espansione.

Espansione: creazione di nuovo spazio?
Quello che gli scienziati ritengono è che lo spazio-tempo si stia espandendo, ma sappiamo che lo spazio-tempo non è una semplice astrazione, infatti possiede un energia di punto zero. Quando diciamo che lo spazio-tempo si sta espandendo non dobbiamo immaginare che lo spazio si stia stirando come un elastico, piuttosto lo spazio si sta autoriproducendo, ma questo significa che ci troviamo difronte ad una violazione del principio di conservazione dell'energia ed in qualche modo l'universo sta aumentando a dismisura la propria energia col passare del tempo. Tuttavia mi piace pensare che il principio di conservazione dell'energia sia rispettato nell'Universo quindi cercherò di dare una versione alternativa dell'espansione dello spazio-tempo. Infatti il mio modello descriverà un Universo con numerose differenze rispetto al modello ΛCDM.

Il modello Lambda-CDM
Il modello Lambda-CDM è indicato anche come il modello standard della cosmologia poiché rappresenta il modello più semplice in accordo con le osservazione ed è anche il più accreditato nella comunità dei cosmologi. Λ (lambda) indica l’energia oscura e CDM la cosiddetta Cold Dark Matter, o più semplicemente la materia oscura, ovvero i due principali costituenti del modello cosmologico in esame. Esso non è l’unico modello possibile né si tratta di un modello esatto (o totalmente corretto). Ciò vale a dire che anche se da un punto di vista osservativo e teorico ΛCDM è certamente valido, soffre anch’esso di problemi legati ad alcune incongruenze con ciò che si osserva e si conosce dell’universo, prime fra tutte il fatto che le caratteristiche, l’origine e le proprietà sia della materia oscura che dell’energia oscura sono ancora ad oggi perfettamente sconosciuti.
L’universo è descritto al suo interno da uno spazio-tempo con una metrica piatta. Il modello assume l'assenza di topologia osservabile, in modo che l'Universo sia molto più grande dell'orizzonte di particella osservabile. Queste predizioni derivano dal fatto che il modello include l'inflazione cosmica.
Gli scienziati ritengono che alle origini del Big Bang lo spazio-tempo presentava una curvatura infinita, questo fenomeno è noto come singolarità secondo la teoria della relatività (la stessa teoria sulla quale si basano le soluzioni di Fridman).
Questa teoria sulla singolarità che a primo acchito potrebbe lasciare un po' perplessi fu ampiamente studiata e la prova matematica che il cosmo poteva essere stato generato da una singolarità fu offerta dal particolare contributo di Penrose ed Hawking con i loro studi sui buchi neri.
La prima obiezione al modello standard riguarda il modo di procedere con il quale nel corso degli anni si è arrivati a formulare ed aggiustare la teoria stessa. Modo di procedere che desta molte preoccupazioni ed insoddisfazioni: tutti gli aspetti della teoria sono stati modificati nel corso degli anni con l’aggiunta di nuovi ingredienti, come energia oscura, singolarità, inflazione e materia oscura. Tutti questi ingredienti sono stati poi forzati ad incastrarsi nel modello preesistente affinché si accordassero con le nuove osservazioni. Tuttavia anche così la visione generale del tutto offerta dal modello standard è ben lungi dall’essere completa.
La seconda obiezione alla teoria riguarda l’idea che il tempo abbia avuto un inizio. L’idea stessa della nascita del tempo e dello spazio pare così poco verosimile, così lontana dalle nostre intuizioni, che dopo tutto non riesco a vedere nessuna ragione particolare per crederci. Come ha avuto inizio l’Universo, se prima di esso non c’era niente? Se attribuiamo un inizio all’Universo tanto vale cambiargli nome. Non ha più senso chiamare Universo (dal latino unus versus - tutto quanto) qualcosa che origina dal nulla e senza nessuna apparente ragione, sarebbe eccessivamente contraddittorio. Tuttavia molti potrebbero argomentare a favore della creazione con motivazioni di tipo religioso e qui non voglio entrare in merito, rispetto profondamente il pensiero religioso di ogni credente. Non c'è una motivazione plausibile che spieghi la grande concentrazione di energia presente al momento del Big Bang. Supponiamo che la nascita di energia dal nulla possa considerarsi un evento raro. Per definizione un evento raro è un evento che accade difficilmente. Ammesso che in qualche modo, con qualche meccanismo sconosciuto venga a crearsi energia dal nulla, in ogni caso io non mi aspetterei che da un evento raro esca fuori l'Universo.