I modelli cosmologici si dividono essenzialmente in due categorie, i modelli statici e quelli dinamici.
I modelli statici prevedono che l'universo, su larga scala, sia sempre uguale a sé stesso ovunque ed in
ogni tempo. Questi modelli negano ogni evoluzione : la densità dell'universo è costante nel tempo ed
il tempo stesso non ha né inizio né fine (a meno di un "intervento" creativo o distruttivo esterno).
Einstein inizialmente era favorevole ad un modello di questo tipo. Successivamente le scoperte di Hubble
e di Penzias e Wilson spostarono l'ago della bilancia a favore di un universo in espansione.
Hubble scoprì che le galassie sono più rosse di quello che dovrebbero essere. Questo fenomeno,
interpretato alla luce dell'effetto Dopper (se una sorgente di onde (di qualunque tipo) si allontana
dall'osservatore, le onde arrivano a lui con frequenza minore), porta a pensare che l'universo si espande.
In un universo che si espande, la densità media della materia cambia nel tempo. Considerando poi
il passato, se l'universo si sta espandendo, si può ipotizzare che esso sia stato molto denso. Portando
all'estremo il ragionamento, si può ipotizzare che l'universo abbia avuto come un inizio, una fase iniziale
in cui tutta la materia e l'energia erano concentrate in uno spazio ridottissimo (una singolarità) da cui,
successivamente, tramite una immensa esplosione, abbia avuto inizio l'espansione.
Questa è l'ipotesi del Big Bang che fu osteggiata grandemente all'epoca della sua proposta. Un universo
che ha un inizio, presuppone che il tempo non sia sempre lo stesso e le asimmetrie, come si sa, non
"piacciono" ai fisici.
Una forte conferma sperimentale all'ipotesi del Big Bang, che rese da allora questa ipotesi la più avvalorata,
avvenne per caso. Negli anni '60 Penzias e Wilson, lavorando con una antenna molto sensibile, captarono
una radiazione elettromagnetica che proveniva da ogni direzione nella gamma delle microonde. Questa
radiazione veniva rilevata come rumore di fondo ineliminabile, quindi non proveniente da cause dipendenti
dall'antenna o dai circuiti elettronici di amplificazione.
Questa radiazione è interpretabile come l'eco, ciò che rimane, dell'immensa esplosione che ebbe luogo
al momento del Big Bang. Fu chiamata radiazione cosmica di fondo o, con più fantasia, radiazione
fossile.
Questa fu la prova decisiva a favore dell'ipotesi del Big Bang.
I problemi che sorgono dall'accettazione di questa teoria sono molteplici ed ancora aperti a tutte le
soluzioni.
Le maggiori problematiche si hanno nel cercare di capire come fosse l'universo al suo inizio e come
evolverà in un lontano futuro.
Ai tempi del Big Bang (circa 15 miliardi di anni fa) la densità dell'universo doveva essere così grande
che i fenomeni di tipo quantistico dovevano essere preponderanti. La materia e l'energia , così
confinate, dovevano sicuramente avere caratteristiche che oggi non conosciamo. Gran parte della
fisica dei primi istanti di vita dell'universo, dove le energie in gioco sono enormi, è ancora da comprendere.
Anche l'indagine di come l'universo evolverà nel futuro è ad uno stato iniziale. Le possibilità sono
essenzialmente due : l'universo continuerà ad espandersi per sempre oppure, giunto ad un punto
di massima espansione, comincerà a contrarsi fino a comprimersi in qualcosa di analogo alla singolarità
che precedette il Big Bang iniziale (Big Crunch) per poi, magari, ricominciare ad espandersi ancora
e così via.
La prima possibilità dà luogo ad un universo aperto, la seconda, ad un universo chiuso.
Ciò che può fare propendere per l'una ipotesi o l'altra, è la quantità di massa totale dell'universo.
Se essa è minore di un certo valore critico, la forza gravitazionale (sempre attrattiva) non riuscirà
a contrastare l'espansione che continuerà, con velocità decrescente, all'infinito. Se, invece, la massa
dell'universo supera questa massa critica, esso darà luogo, a causa dell'intensa attrazione gravitazionale
(tale da annullare ad un certo punto la "spinta" iniziale), al Big Crunch.
A complicare queste valutazioni semplicistiche (la natura supera sempre la fantasia degli scienziati !)
sono giunte due scoperte molto recenti.
L'universo visibile (le stelle che vediamo) è solo una esigua parte dell'universo nel suo complesso.
Esso sembra essere composto da una maggioranza (oltre il 90% ) di materia ed energia oscura
(dette così proprio perché non emettenti alcuna radiazione elettromagnetica e perché di natura
ancora sconosciuta).
Si è giunti a questa scoperta cercando di spiegare la struttura ed il moto di rotazione delle galassie
e questo grazie alle osservazioni sempre più sofisticate ottenute dai satelliti (fra questi il satellite Hubble).
Se le galassie fossero costituite solo dalla materia che vediamo, non potrebbero essere così dense e
ruotare così velocemente. Vi deve essere dell'altra materia che le rende tali.
La ricerca della massa mancante fu iniziata nella direzione dei buchi neri e dei neutrini (che hanno, è stato
dimostrato da poco, una massa piccola ma non nulla). Considerando anche queste entità, secondo le
teorie note, non si perveniva a colmare il divario. Ecco allora l'ipotesi dell'esistenza della materia ed
energia oscure.
L'altra grande recente scoperta consiste nel fatto che l'espansione dell'universo, invece di diminuire,
accelera. Questo fu scoperto osservando le caratteristiche delle supernove di altre galassie (sempre
grazie alle accurate osservazione dei satelliti).
La causa di quest'aumento della velocità di espansione potrebbe essere dovuta ancora alla massa ed
energia oscura.
Potrebbe essere che queste entità abbiano un comportamento attrattivo su scala media (tale da spiegare
la forma delle galassie) e repulsivo su grande scala, a livello cosmico, (tale da spiegare l'espansione
accelerata).
Se poi, questa materia/energia oscura avesse una comportamento repulsivo costante nel tempo, l'universo
sarebbe destinato ad un Big Rip (tutto "fugge" da tutto) ed un universo chiuso sarebbe impossibile.
Diversamente, se questo comportamento repulsivo fosse variabile nel tempo, sarebbe ancora possibile
il Big Crunch.
I "giochi" sono aperti più che mai e si ha la netta sensazione che siamo ancora una volta ad una svolta
epocale nel pensiero scientifico, qualcosa di analogo a quello che avvenne fra '800 e '900 con
l'avvento della teoria della relatività e della meccanica quantistica.
Siamo probabilmente di fronte alla scoperta di una nuova forza fondamentale.
E' in atto una nuova rivoluzione nella fisica che probabilmente porterà a nuove teorie sempre più
profonde che richiederanno probabilmente un radicale mutamento nel modo di pensare il cosmo.
02 - Effetto fotoelettrico.
Fra '800 e '900, i fisici erano convinti di avere scoperto e capito tutto. La meccanica classica forniva
una descrizione molto precisa dei moti dei corpi qui sulla terra e su scala planetaria. La teoria di Maxwell
spiegava una grande vastità di fenomeni elettromagnetici e la termodinamica descriveva con molta
precisione i fenomeni relativi al calore.
Molti fisici allora pensavano che non vi fosse molto altro da scoprire e da capire.
Vi erano solo alcuni fenomeni, apparentemente di poco conto, che non si riusciva a spiegare con
le teorie note. Fenomeni molto particolari ma poi rivelatisi tali da scardinare l'intero castello delle
conoscenze.
Uno di quelli era l'effetto fotoelettrico la cui spiegazione fu data da Einstein nel 1905 e per la quale
successivamente ricevette il premio Nobel.
Per spiegare l'effetto fotoelettrico si dovettero introdurre concetti di meccanica quantistica, concetti
in netta antitesi con le teorie classiche. Fu così che nacque la grande rivoluzione scientifica avvenuta
all'inizio del '900 e che ha portato ad una nuova visione del mondo (che dovremo sicuramente ancora
modificare nel cercare di comprendere la materia/energia oscura).
L'effetto fotoelettrico consiste nella emissione di elettroni quando un metallo è colpito da radiazione
elettromagnetica (diremo, per brevità, dalla luce). Si tratta di un effetto molto usato nella tecnologia,
si pensi solo alle fotocellule.
La caratteristica fondamentale dell'effetto fotoelettrico è quella di avere una soglia di frequenza specifica
per ogni metallo cioè, il fenomeno avviene solo se la frequenza della radiazione supera un certo valore
tipico di ogni metallo. Se la radiazione non possiede la frequenza giusta, non si ha emissione di elettroni.
Come ben si sa, gli elettroni delle orbite più esterne dei metalli sono quasi liberi di muoversi a caso nel
reticolo del metallo stesso. Vi è una debole "differenza" di energia che li separa dall'esterno, e se per caso
assumessero tale energia, essi uscirebbero dal metallo. Questa energia che li costringe a stare dentro il
reticolo è tipica di ogni tipo di metallo. Ogni metallo ha al sua energia di estrazione (così è chiamata).
Il fenomeno dell'emissione fotoelettrica è quindi molto chiaro e apparentemente semplice da spiegare.
Vi è però il grosso problema che, dal punto di vista della teoria di Maxwell, un elettrone colpito dalla
luce dovrebbe assumere energia con continuità fino ad essere in grado di superare la "barriera" ed uscire
dal metallo. Ogni elettrone, colpito da luce di qualunque frequenza, prima o poi, appena raggiunta l'energia
sufficiente, dovrebbe uscire dal metallo (secondo Maxwell).
L'evidenza sperimentale, invece, mostra, come abbiamo detto sopra, che luce di frequenza inferiore a quella
di soglia, per quanto intensa e persistente nel tempo, non produce l'effetto.
Come si risolve la contraddizione fra realtà e teoria ? Ovviamente prendendo coscienza che la teoria è
sbagliata e bisogna cambiarla.
Per spiegare l'effetto fotoelettrico si devono introdurre i concetti della meccanica quantistica secondi quali
la luce è costituita da quanti, i fotoni, particelle dotate di energia proporzionale alla frequenza della
radiazione :
E = h · ν
dove E indica l'energia del fotone, h è una costante (la costante di Planck) e ν (ni) è la frequenza
della radiazione.
Siccome un fotone cede ad un elettrone dentro il metallo la propria energia, essa sarà in funzione della
frequenza per cui un elettrone supera la barriera ed esce dal metallo solo se la frequenza della luce
corrisponde all'energia necessaria.
03 - Effetto Compton.
Colpendo un fascio di elettroni con della luce si ha che molti elettroni vengono deviati nella loro
traiettoria come se fossero stati urtati da particelle. Il fenomeno è spiegabile supponendo che la
luce, come afferma la meccanica quantistica, sia formata da fotoni che si comportano negli urti
come vere e proprie particelle.
Questo effetto non è descrivibile secondo la teoria di Maxwell.
Fine.