E-school  di  Arrigo Amadori

Miscellanea

Fiat lux

La storia.

Nel 1923 Hubble scoprì che  l'universo era costellato di galassie come la nostra Via Lattea 
(fino allora si pensava che l'universo fosse formato da una sola galassia, la Via Lattea appunto).

Successivamente egli fece una scoperta ancora più sensazionale, egli si accorse che tutte (o quasi)
le galassie si stanno allontanando da noi. Lo scoprì perché notò che gli spettri (le emissioni 
elettromagnetiche) delle galassie erano più rossi di quello che dovevano essere. Questo fenomeno, 
detto spostamento verso il rosso (red shift), si spiega con l'effetto Doppler : le radiazioni emesse 
da un corpo appaiono di frequenza minore (per la luce, quindi, più rosse) se la sorgente si allontana 
da chi la osserva, maggiore se la sorgente si avvicina.

L'effetto Doppler lo notiamo anche nella vita di tutti i giorni perché vale per ogni tipo di fenomeno
ondulatorio, anche per le onde acustiche. E' comune, infatti, l'esperienza del fischio del treno : quando
il treno viene verso di noi, il sui fischio appare di frequenza maggiore, più alto, mentre quando si 
allontana da noi, appare di frequenza minore, più basso.

La scoperta di Hubble si può interpretare con l'ipotesi che l'universo si sta espandendo e se l'universo
si espande probabilmente ci deve essere stato un tempo, nel passato, in cui tutta la massa e l'energia
dell'universo dovevano essere concentrate in una regione dello spazio molto piccola rispetto alle 
dimensioni attuali.

Nel 1948, Gamow, propose l'idea che l'universo abbia avuto origine da una immensa esplosione in  
un passato remoto, il Big Bang, e che di quella esplosione ci dovesse essere traccia ancora oggi.  

Egli ipotizzò l'esistenza di una radiazione "fossile" che deve permeare il cosmo e che è ciò che rimane
di quell'immensa esplosione, una traccia della nascita dell'universo.

I calcoli che Gamow propose prevedevano che questa radiazione fosse isotropa, ovvero fosse la stessa 
in tutte le direzioni, ed avesse una certa frequenza corrispondente all'emissione di un corpo
alla temperatura di circa 3 gradi Kelvin (i gradi Kelvin, detti anche gradi assoluti, hanno lo zero 
corrispondente allo zero assoluto, circa -273 gradi centigradi Celsius).

Nel 1965 Penzias e Wilson, lavorando ad una antenna per le telecomunicazioni alle microonde, 
rilevarono per caso un rumore di fondo corrispondenti a radiazioni isotrope di temperatura di 2,7 
gradi Kelvin centrate nella frequenza di 150 GHz (1 GHz equivale ad un miliardo di oscillazioni 
al secondo).

La radiazione trovata accidentalmente da Penzias e Wilson è la radiazione fossile, ciò che rimane
del "fiat lux" primordiale !!!

La spiegazione.

Secondo la teoria della relatività generale di Einstein (1916) lo spazio ed il tempo sono una
unica entità, lo spazio-tempo quadridimensionale le cui proprietà geometriche sono definite
dalle distribuzioni delle masse. Lo spazio-tempo è una proprietà della materia, è prodotto 
da essa. Il campo gravitazionale generato dalla materia coincide con lo spazio-tempo stesso.

Una conseguenza fondamentale della relatività generale è che lo spazio-tempo non è euclideo,
ovvero non soddisfa le regole della geometria euclidea, la geometria dell'esperienza pratica
dove, per esempio, vale il teorema di Pitagora. Lo spazio-tempo è incurvato dalla presenza 
delle masse che lo generano. Solo localmente od in presenza di piccole masse esso è 
approssimativamente euclideo (nel nostro sistema solare lo spazio-tempo è pressochè
euclideo, a parte le immediate vicinanze del sole).

Se la densità di materia è localizzata in un piccolo volume ed è sufficientemente alta, allora 
lo spazio-tempo viene così incurvato da non rendere possibile la fuoriuscita da quello spazio
di alcunché, neppure la luce. E' quanto si verifica in buco nero che, non emettendo nulla,
appare, appunto, come completamente nero.

Secondo la teoria del Big Bang, tutta la massa (e l'energia) dell'universo era inizialmente condensata in 
in una regione di spazio molto piccola. Per questo motivo lo spazio-tempo dell'universo primordiale 
probabilmente era talmente incurvato da tenere conglobata in sé tutta la massa e l'energia. 

Quando, con il Big Bang, iniziò l'espansione dell'universo, la radiazione elettromagnetica 
prodotta dall'esplosione iniziale cominciò ad espandersi anch'essa nello spazio-tempo che 
via via si dilatava riempiendolo di conseguenza.



In un certo senso la radiazione di quei primi istanti dell'universo si espande con esso e lo permea
in ogni suo punto. E' ovunque, anche attorno a noi, oggi.

La radiazione corrispondente all'esplosione del Big Bang doveva essere estremamente energetica e
di frequenza altissima. Con l'espansione dello spazio-tempo, però, a causa dell'effetto Doppler, la 
radiazione iniziale che si espande con lo spazio-tempo deve diminuire di frequenza. Inoltre, aumentando 
il volume dello spazio a disposizione, la sua intensità deve diminuire di conseguenza.

Ciò è esattamente quello che si verifica oggi. Una radiazione fossile molto debole e di frequenza 
molto bassa rispetto alle condizioni iniziali pervade l'universo.

Fine. 

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