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La prova del Big Bang

CBR

Radiazione di Fondo Cosmico catturata dal satellite WMAP

Le origini dell’universo sono uno degli argomenti scientifici più affascinanti per i non addetti ai lavori. Spesso amici mi chiedono di parlare dell’origine dell’universo e di come mai la teoria del Big Bang abbia preso così tanto piede nella comunità scientifica. Le spiegazioni che ricevono di solito dalla televisione o da libri divulgativi ai più arguti non appaiono sufficienti a determinare in maniera schiacciante la veridicità di tale teoria. Alchè ho notato che televisione e libri divulgativi non fanno praticamente mai riferimento a quella che è, in effetti, la vera prova che ha messo a tacere i sostenitori di teorie diverse da quella del Big Bang: la radiazione di fondo cosmico.

Prima una premessa “non tutti sanno che“:

qualsiasi corpo, di qualsiasi tipo, a qualsiasi temperatura superiore allo 0 assoluto, emette luce. Questa luce è chiamata “Radiazione di Corpo Nero” ed è il motivo per il quale le lampadine a incandescenza, il ferro rovente, ed il Sole stesso illuminano.
La radiazione di corpo nero ha una frequenza (energia del singolo fotone, nella radiazione visibile si traduce in “colore”) che è strettamente legata alla temperatura. E’ per questo che le telecamere a infrarossi “vedono” gli esseri umani: noi siamo a sangue caldo, emettiamo radiazione di corpo nero (infrarossa) a 37° C, l’ambiente a noi circostante è invece mediamente attorno ai 20° C. Quindi noi emettiamo della radiazione di corpo nero che ha un pelino di energia in più di quella emessa dall’ambiente attorno a noi (in altre parole: abbiamo un altro colore); questo colore può essere captato da telecamere con sensori appositi e collegato a un allarme che suona appena vede un colore 37°C di dimensione compatibile con un essere umano. In effetti, dato che queste telecamere semplicemente vedono luce emessa spontaneamente dal corpo, sono uno dei sistemi di sorveglianza più sicuro (esiste un modo semplice per fregarle, ma non ve lo dico!).

Tornando all’universo e al Big Bang, esso viene spesso rappresentato come un palloncino che viene gonfiato e si espande e la motivazione che sento più spesso dai divulgatori come prova del Big Bang è il fatto stesso che sia in espansione. Più di una persona rigetta l’analogia trovandola giustamente inadeguata: se poniamo delle molecole al centro di una scatola vuota queste molecole tenderanno a espandersi fino ad occupare il più uniformemente possibile l’intera scatola, senza bisogno alcuno di esplosioni primordiali. Inoltre il palloncino si gonfia perchè un intervento esterno applica una pressione, non perchè il sistema esso stesso sia spinto da una qualche tipo di inerzia. Il paragone non regge.

Sofistichiamo un po’ la metafora:

Immaginatevi il nostro solito palloncino che si espande, ma non gonfiatelo soffiandoci dentro, semplicemente espandetelo a forza, tirando la superficie in modo meccanico (come, appunto, in conseguenza con un esplosione interna). Se sapete qualcosina di termodinamica dovreste sapere che una espansione di un sistema isolato comporta raffreddamento e il processo per cui un sistema non scambia energia con un altro sistema è definito adiabatico. Quest’ultima condizione è quella che subisce il nostro universo: a meno di non andare nel fantascientifico il nostro universo, essendo l’unica cosa che esiste, non può scambiare energia con un’altro sistema.

Se la teoria del Big-Bang è corretta, l’universo, che prima era una palla compatta ribollente a temperature inimmagibili, espandendosi si raffredda. Anche l’universo stesso, come qualsiasi altra cosa, emetterà la sua “Radiazione di Corpo Nero” che, a causa della bassa temperatura che l’universo ha raggiunto a furia di espandersi (circa 2.7 Kelvin, più di 270°C sottozero), sarà a bassa frequenza: micro-onde. Il “colore” di questa radiazione sarà quindi collegato alla temperatura dell’universo, ovvero a quanto si è espanso a partire dal Big Bang.

Se l’universo prima del Big Bang era compatto e omogeneo, allora dovrà mantenere una sostanziale omogeneità anche dopo l’espansione: se si fa esplodere una bottiglia piena gli schizzi, per quanto frammentati e caotici, saranno sparpagliati un po’ ovunque. Potete guardare l’immagine di questo post per farvi un’idea degli “schizzi”, piuttosto omogenei, che il Big Bang ha lasciato, grazie alla mappatura della radiazione cosmica di fondo, nessun’altra prova è tanto schiacciante come osservare questo gigansco eco del Big Bang che risuona in tutto l’universo.

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  1. zagrat
    novembre 4, 2009 alle 5:57 pm

    Mi chiedevo…espandendosi l’universo perde calore,e questo a grandi linee lo sapevo, ma mi son chiesto più volte(e mai approfondito)…è possibile raggiunga(immagino in svariati miliardi di anni) lo 0 assoluto col suo espandersi o sta tendendo a quel valore asintoticamente?Esiste una “formula” che dia la curva del calore dell’universo,ci si sta lavorando o è impossibile da ottenere(immagino che reperire i dati sia parecchio ostico dato che i cambiamenti di T° sono decisamente minimi anche considerando variazioni nell’arco di secoli

    • novembre 4, 2009 alle 7:32 pm

      Beh, è banalmente una curva adiabatica, si raffredda, espande e perde pressione (densità). Poi se continuerà così fino a tendere asintoticamente a un universo infinitamente esteso e a tempratura nulla o tornerà a contrarsi o si stabilizzerà in futuro è un discorso molto più complicato, quello sulla cosiddetta “forma dell’universo”, magari lo espanderò in futuro! 😉

      • zagrat
        novembre 5, 2009 alle 1:10 pm

        aspetterò paziente allora =)

  2. novembre 9, 2009 alle 5:21 pm

    Grande Andrea, cioè vado sulla fiducia perché devo ancora leggere, ma sentivo il bisognod i avere un blog che parlasse di queste cose e che mi desse la fiducia necessaria per prenderle per oro colato (niente di più, ma nemmeno niente di meno! ^^)

    Ora leggo intanto grazie!

  3. novembre 9, 2009 alle 5:31 pm

    Letto, mitico.
    Soprattutto la parte in cui tenti una spiegazione più precisa della metafora del palloncino effettivamente sempre usata.

    Riguardo alla radiazione c’è la medesima fotografia nello splendido libro “il buco nero al centro della nostra galassia” di Fulvio Melia e anche lui spiega a grandi linee la radiazione di corpo nero. Libro ricchissimo di informazioni, consigliato a chi ne sa poco per imparare molto e ha chi sa tanto (tutto) per le immagini (splendide!).

    Dacci dentro Andrea!

    yours

    MAURO

  1. novembre 5, 2009 alle 11:24 pm
  2. novembre 10, 2009 alle 12:54 am
  3. novembre 30, 2009 alle 3:09 pm

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