Astrophysics: differenze tra le versioni

Versione attuale delle 14:09, 11 Nov 2012

Giovanni Valentini

Lo Spazio dice alla Materia come muoversi e la Materia dice allo Spazio come curvarsi.

Il percorso di Astrophysics CYBORG è nato nei primi due anni del sessanta, ad opera - come già detto – di due grandi scienziati americani.

CYBORG è la creatura spaziale idonea a vivere in pianeti inospitali con sbalzi di temperature estreme, letali per l’uomo normale.

E’ logico che Valentini lo accoppia a un’altra sua personale passione: l’Astrofisica e l’Astronomia.

Da buono studioso Valentini segue i processi di crescita costante dell’astrofisica nel suo meraviglioso evolversi, sino ad oggi.

In oltre mezzo secolo di scienza dell’Astrofisica i processi della tecno scienza sono stati enormi, così che sembra che siano trascorsi almeno centocinquant’anni.

Lo studio del Cielo e dei corpi celesti è fonte di continue scoperte, così che la vita dell’Uomo appare talvolta breve e non bastante ad inserirsi nel processo costante di crescita della Scienza che spinge verso il futuro.

Le scienze Astronomiche e Spaziali sono cresciute a livelli altissimi, così che accanto alle scoperte di Einstein – Rosen, del modello atomico di Bohr, della meccanica quantistica, di Hawking, di Penrose, di Paul Davies, di Weinberg, tanto per fare qualche nome c’è una sterminata mole di scienziati, soprattutto teorici, che ci stanno aprendo le strade verso un Universo che mai avremmo immaginato.

Ma anche la tecnologia spaziale e l’ingegneria stanno costruendo missili e macchine spaziali sempre più aperte verso astronavi sempre più rivoluzionarie, capaci di attraversare lo spazio-tempo e i tunnel spaziali.

L’Astrofisica e l’Astronomia stanno trasformando i destini dell’Uomo.

Da quando Galileo con il suo rudimentale cannocchiale aveva osservato per primo i satelliti di Giove e gli anelli di Saturno ne è passata di acqua sotto i ponti!

Dopo di lui le osservazioni del Cielo sono diventate sempre più raffinate tali da osservare tutto il sistema solare sino alla Nube di Oort. Di poi, in un crescendo sempre più specialistico si è passati all’osservazione del Profondo Cielo arrivando a profondità e distanze siderali che hanno dell’incredibile.

La tecnologia ha creato telescopi sempre più grandi e potenti svelando segreti dell’Universo incredibili. Il telescopio spaziale HUBBLE quasi per caso, puntando verso la Costellazione dell’Orsa per alcuni giorni, è arrivato a scoprire l’universo primordiale a distanze che vanno oltre gli anni luce, sino ai Parsec ed ai multipli successivi.

Nessuno si aspettava che l’universo fosse così grande! Ci si aspettava che esso terminasse la sua corsa per poi, dopo il rallentamento, incominciasse la contrazione ed il collasso (del Big Crunch).

Invece, contrariamente alle aspettative, l’espansione anziché rallentare accelera sempre di più con velocità prossime a quelle della luce.

Le osservazioni dei corpi celesti è fonte di continue sorprese.

L’Universo disegnato da Einstein con la sua teoria della Relatività Ristretta e di poi con la Relatività Generale, ci suggerisce l’idea di un universo ordinato ed armonico; le sue equazioni sono eleganti ed armoniche, aiutato nei calcoli dal grande matematico Hermann Minkowski.

Egli quindi non può accettare le teorie di Bohr e compagni, dove le particelle sono governate dal Caos! “Dio - dice Einstein - non si diverte a giocare a dadi!” Invece le due teorie, profondamente diverse, fanno forse parte di un disegno unico e universale.

Osservando un cielo stellato nelle serate limpide e scure, da parti di osservazione con ottimi seeing non si può poi non rimanere affascinati dalla bellezza della visione.

Dalla grande quantità di stelle osservate, ad occhi nudi, si ha l’idea di un Universo assai o super popolato e pieno di materia.

Invece la materia effettiva è del dieci od al massimo quindici per cento. Che delusione!

Viviamo in un universo in gran parte vuoto. Allora si è pensato ad una materia esotica: la materia oscura (Dark Matter). E via alla ricerca di tale materia.

Le galassie, per esempio, oltre alle zone illuminate hanno zone oscure che ne rinforzano la loro struttura e le osservazioni sofisticate con la moderna strumentazione (grandi telescopi e radio telescopi, eccetera) stanno dando origine all’osservazione della materia oscura.

Ma ciò, anche se aiuta molto, non risolve in gran parte il resto del vuoto dell’universo.

Allora si è andati alla ricerca di particelle forse sfuggite al momento del big bang e alle nostre teorie osservative (“The first three minutes” di Steven Weinberg). I neutrini, che si pensava ad un certo punto, fossero particelle del tutto prive di massa, si è invece capito che di massa ne avevano, anche se in quantità assai piccole, tali da passare indisturbati anche attraverso zone solide, tipo i pianeti o la nostra Terra.

Ma la sterminata quantità di neutrini nell’universo, fa si che questi rappresentino quantità globali significative di massa e quindi di materia. Ciò arricchisce la quantità di materia oscura.

Da osservazioni misurate nel sito astronomico del Gran Sasso, si è pensato recentemente che i neutrini superano la velocità della luce, ritenuta la regina, nel parametro della velocità nel cosmo (secondo le osservazioni einsteiniane).

Lo scalpore di una simile notizia è però stato smentito dai dati osservativi più recenti: si è trattato di un errore di calcoli che smentiscono tale velocità.

Le ricerche per la materia oscura sono ancora frenetiche, si tratta, come già detto di scoprire parti di Materia che contribuiscono a rendere meno vuoto e angosciante il nostro universo.

Ma la parte dell’universo “vuoto” non è mai astrofisicamente vuoto: ci sarà qualcosa attualmente non calcolabile che fa da “collante” che tiene unite le sue parti diverse.

Come fanno poi le galassie a espandersi nell’universo sotto la spinta dell’espansione? Esse si “allargano” e “dilatano” come un elastico? Niente affatto! Si pensi ad un panettone pieno di chicchi d’uva che è sotto l’azione di un grosso rigonfiamento.

Esso si allarga sempre di più e i chicchi di uva si allontanano l’uno dall’altro, ma la loro struttura e dimensione è sempre la stessa.

Tale è quella struttura universale.

L’universo è isotropo, ossia è uguale in tutte le sue direzioni e suddivisioni in parti.

Esso non ha direzioni. Molte stelle, astri, galassie che noi osserviamo oggi, ormai sono morte ed a noi arriva soltanto la luce ed immagine pregressa.

L’universo è pieno di buchi neri, spesso insediati al centro delle galassie; anche al centro della nostra Galassia esiste un enorme buco nero che ingoia tutto ciò che gli sta intorno, cioè materia e stelle in modo costante.

Un buco nero è una grossa singolarità, dotata di una potenza gravitazionale inimmaginabile: a lui non sfugge niente, persino la stessa luce che sta nei suoi dintorni viene incurvata ed attratta e di poi ingoiata.

Il buco nero è circondato “dall’orizzonte degli eventi” dove noi non riusciamo a vedere nulla del suo interno, mentre lui è perfettamente trasparente e vede tutto.

Al suo interno accadono cose strabilianti: un giorno noi vedremo cosa c’è dentro e invieremo qualche astronave o grosso missile telecomandati, i quali riusciranno a sopravvivere ed a farci vedere tutto.

Il buco nero evapora ogni tanto ed alla fine qualche volta scompare, come ha dimostrato Hawking; però finché è vivo ed attivo ha, come già si disse, una potenza attrattiva mostruosa. Pare che egli triti tutto ciò che ingoia. Qualcuno ha ipotizzato che alla fine del nostro percorso nell’universo, ci sarà un panorama di buchi neri, soltanto, ciò avverrebbe in futuri lontanissimi (ne parlava Paul Davies in “Gli ultimi tre minuti”).

A proposito di Hawking il modo più semplice di capire il suo processo è in termini di una combinazione di fisica dei quanti e di teoria della relatività.

La relatività ci dice che l'energia può essere convertita in materia.

La fisica dei quanti ci dice che c'è sempre una indeterminazione intrinseca alla quantità di energia di un sistema.

Tra l'altro ciò significa che nessun sistema può mai avere precisamente energia zero; se l'avesse non ci sarebbe indeterminazione. Come già dicemmo persino "lo spazio vuoto" contiene energia che non può essere misurata direttamente, ma che può creare coppie di particelle di vita breve che compaiono e scompaiono in un tempo incredibilmente corto: meno di 10 alla -44 secondi.

Ma cosa accade alle coppie virtuali prodotte proprio sul bordo dell’orizzonte di un buco nero?

Con un processo che ricorda quello di Penrose, un membro della coppia può attraversare l’orizzonte ed essere ingoiato dal buco nero, lasciando l’altra particella senza compagno con cui annichilirsi. Questa particella guadagna energia grazie al campo gravitazionale del Buco Nero, e diventa una particella reale che fugge nell’Universo esterno. Proprio come nel caso del processo di Penrose, nel processo di Hawking il buco nero perde esso stesso massa - energia e la sua area superficiale si riduce. E l’energia trasportata dalle particelle che evaporano da tutto l’orizzonte degli eventi (oggi nota come evaporazione di Hawking) a fornire la temperatura che Bekenstein aveva pensato che un buco nero dovesse avere. La temperatura è in relazione all’area dell’orizzonte degli eventi in modo tale che più grande è il buco nero, più bassa è la sua temperatura.

Speriamo che queste siano soltanto previsioni o ipotesi, al pari di tante altre, che gli astrofisici teorici dotati di molta fantasia ogni tanto profetizzano. Certo nell’indagare le particelle che governano il tutto, sappiamo che ogni particella ha la sua antiparticella, così evinciamo che la materia ha la sua brava antimateria, sappiamo così che il fisico Gilberto Severi fu probabilmente il primo ad ipotizzarlo, anche se non riconosciuto.

Ma è anche vero che Wolfango Pauli fu tra i primissimi a postularla; egli fu inoltre tra i primi in assoluto a parlare genialmente dei neutrini affermando inoltre che essi hanno la capacità straordinaria di “risalire” nel tempo.

ENTROPIA

L’entropia misura la quantità di informazioni. Qualsiasi oggetto man mano che si logora aumenta la sua entropia e diminuisce il suo numero di informazioni. Un bicchiere d’acqua in cui c’è un cubetto di ghiaccio contiene più informazioni e meno entropia dello stesso bicchier d’acqua in cui in cubetto si è disciolto. Il costante aumento di entropia di tutto l’Universo costituisce una misura fondamentale del suo flusso del tempo.

Le equazioni di Osawa contengono diversi “tipi di incertezza”, quella che deriva dalla misura ma anche un’incertezza quantistica fondamentale, che è presente in ogni sistema quantistico indipendentemente dalla sua misura.

Valentini vorrebbe cavalcare un raggio di luce, cioè una successione fotonica, per non invecchiare più e conservare - ove possibile – l’immortalità.

Egli su questo è d’accordo con Einstein e la sua teoria della Relatività.

E che dire della “Radiazione di Fondo” scoperta dai due ingegneri Pensas e Wilson mentre provavano un’antenna con tutt’altro scopo: si trattava di una radiazione fredda di 3 Kelvin, isotropa che sorprese i due ingegneri che faticarono per scoprire e capire il senso importantissimo di essa.

Questa radiazione era una prova inconfutabile dell’origine del cosiddetto Big Bang alle origini dell’Universo, scaturita da milioni di gradi dalle origini dell’Universo essa si era lentamente raffreddata nel corso dei milioni di anni sino a portarsi alle temperature attuali. Essa era stata un fattore illuminante per selezionare le tante teorie sull’Universo per portarla con buona approssimazione alla teoria attuale.

MECCANICA QUANTISTICA

Essa è costituita dall’insieme di equazioni matematiche che descrivono il comportamento di radiazioni e di corpi piccolissimi su scala uguale o inferiore a quella degli atomi.

Si può dire che il primo fondatore di essa fu Plank che aveva inventato “IL QUANTO” cioè l’unità minima di energia o materia. Ad esempio l’energia luminosa si manifesta in forma di quanti chiamati fotoni, che possono essere considerati particelle minime di luce. Non può esistere una quantità di luce intermedia tra il nulla ed il fotone.

A Copenaghen esisteva un vero stuolo di grandi scienziati fondatori che avevano dato un impulso geniale e rivoluzionario allo studio dei quanti e della quantistica. Tra questi ricorderemo Niels Bohr, Schrödinger, Eisenberg, eccetera, che avevano man mano costruito i mattoni della quantistica.

Questa nuova parte della fisica è stata una delle invenzioni più grandiose della scienza in forte opposizione alla teoria della Relatività. Lo stesso Einstein aveva dato un contributo alla quanto meccanica, ma poi si era messo in opposizione non condividendo le meravigliose incertezze e indeterminazioni che rendevano affascinante le teorie quantiche.

Le certezze e le misurazioni della fisica classica che davano sicurezza nel mondo atomico di Einstein, si erano ad un certo punto “sciolte” di fronte alla quantistica e alle sue geniali argomentazioni diramate di fronte ad una miriade di misurazioni con “funzioni d’onda”, anche se in apparenza sembravano arbitrarie, in realtà fornivano misurazioni subatomiche di impressionante precisione.

Le vecchie orbite simmetriche, ad esempio, di un elettrone intorno al suo nucleo, perno della fisica classica, si erano ad un certo punto sciolte di fronte al loro “errore concettuale”; ben diverse erano le misurazioni capillari ed estese in tutte le direzioni di spessore quantistico.

Le resistenze alla quanto meccanica erano continuate anche dopo Einstein e sembrava che ci fosse un nulla concettuale verso gli anni ’80 a scapito della teoria classica.

Solo oggi ci si rende conto che accanto alla Relatività generale esiste la meccanica quantistica, assai più moderna e precisa.

La meccanica quantistica si occupa della radiazione e della materia, soprattutto come fenomeno ondulatorio fuori dalla meccanica classica.

Nella meccanica classica, per esempio, la luce è rappresentata solo come un’onda e l’elettrone solo come una particella, ciò è la ragione del conflitto onda-particella, che porterà alla decadenza di quasi tutte le teorie classiche.

La meccanica classica si differenzia da quella quantistica perché quest’ultima esprime probabilità di ottenere da una precisa misurazione, secondo un dato di determinismo completo. Ciò è possibile in quanto si tratta del mondo subatomico. Il principio di indeterminazione di Eisenberg aveva dimostrato l’impossibilità di calcolare i valori delle coppie variabili e dinamiche. Al contrario la fisica moderna è rappresentata dalla meccanica quantistica, cioè la fisica atomica, la fisica nucleare e subnucleare (la fisica delle particelle e della fisica teorica).

Nella meccanica quantistica un sistema fisico viene fornito in modo puramente probabilistico si ricorre a dati nuovi come “a funzioni d’onda” ed “onda di probabilità”. Il cosiddetto principio di indeterminazione di Eisenberg non può predire un concetto classico di probabilità, bensì un carattere probabilistico quantistico che costruisce rigorosamente questa nuova teoria partendo dalle sue radici.

L’indeterminazione quantistica abolisce la distinzione tra onde e particelle che aveva caratterizzato la vecchia fisica del vecchio secolo. Abbiamo cioè l’evoluzione della quanto meccanica con caratteri oscillatori – cioè il carattere ondulatorio e corpuscolare.

Per esempio lo sviluppo temporale di un fascio di fotoni, come similmente di un fascio di elettroni presenta caratteristiche similari delle onde, cosicché al lato della misurazione non si ottiene un flusso continuo e costante bensì una successione di quanti sia per i fotoni che per gli elettroni.

“L’onda – corpuscolo era il vecchio dualismo che la nuova concezione quantica stava abbattendo”. Vi fu, ad un certo punto, il crollo della meccanica classica, chiamata come vecchia teoria dei quanti, ad opera di Max Plank, Einstein, Bohr, Sommerfield, eccetera, di poi fu postulata la meccanica ondulatoria e meccanica delle matrici. Eisenberg sviluppò la meccanica delle radici e Schrödinger la meccanica ondulatoria.

NEUTRINI - ANTINEUTRINI - FOTONI

I raggi cosmici sono formati in gran parte di materia e non di antimateria. Ciò nonostante in realtà non osserviamo neppure i fotoni.

C'è l'ipotesi che la popolazione dei fotoni sia inversamente proporzionale al cubo dell'universo.

In tale circostanza il numero barionico per fotone sarebbe incominciato intorno a uno, man mano che cresceva il numero dei fotoni.

Ma successivamente pensiamo che il numero barionico sia di circa uno su un miliardo.

L'universo non ha carica elettrica, per cui deduciamo ora che un elettrone di carica negativa si combina con un protone di carica positiva.

Per combinazione se gli elettroni fossero gli unici leptoni presenti, oggi concluderemmo che il numero leptonico corrisponde al numero barionico per fotone.

Esiste però una particella che ha un numero leptonico diverso da zero. Infatti il neutrino già citato in precedenza e la sua particella, l'antineutrino sono quasi totalmente privi di massa, elettricamente neutri e con un numero leptonico equivalente a più uno e meno uno.

Dobbiamo poi conoscere qualcosa sulla popolazione di neutrini e antineutrini nel cosmo.

Se il neutrino è equivalente all'elettrone perché non è soggetto alla forza nucleare.

Poiché è elettricamente neutro, non risente delle forze elettriche o magnetiche come l'atomo e gli elettroni.

L'unica forza che risentono tutti è quella gravitazionale, tranne il decadimento del neutrone.

Il sole è un laboratorio di neutrini che attraversano, con la sua luce di giorno, e di notte passano nell'altro emisfero essendo fisicamente insensibili alla luce della terra.

La loro esistenza venne praticamente e realmente osservata nei reattori nucleari verso gli anni cinquanta. Possiamo così capire come la sterminata popolazione dei neutrini ed antineutrini siano intorno a noi e ci attraversano senza che noi ce ne accorgiamo, e sono circa al pari dei fotoni come quantità.

Ciò malgrado alcuni cosmologi ritengono che gli elettroni, neutrini sottratti alle corrispondenti antiparticelle per fotone, siano inferiori all'unità.

Quando la temperatura limite per elettroni era tale, la quantità dei neutrini e antineutrini era simile ai fotoni.

Si consideri che neutrini e antineutrini hanno una interazione così debole che un bel numero sia sfuggito all'annichilazione, in tal caso c'è un equilibrio simile tra neutrini e antineutrini al pari dei fotoni.