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livello medio.
ARGOMENTO: ASTRONOMIA E ASTROFISICA
PERIODO: XX – XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: teorie sull’universo, Big Bang
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Sin dalle origini della civiltà ogni cultura ha proposto una sua rappresentazione dell’universo, prima da un punto di vista mitologico o religioso e poi da un punto di vista scientifico. La scienza attuale ha un’interpretazione di come è l’universo, qual è la sua origine e quale sarà il suo futuro ma esistono ancora tante aree buie. In realtà, si potrebbe dire che la teoria più nota, quella del Big Bang, sia un canovaccio nel quale nascono e muoiono nuove teorie e ricerche scientifiche per cercare conferme a tutte le ipotesi e comprendere fenomeni, conosciuti e non conosciuti, che continuamente il vecchio e lontano Universo ci invia attraverso la luce e le radiazioni.
Questa ripresa del telescopio spaziale Hubble della NASA/ESA mostra un vortice di gas incandescente e polvere scura all’interno di una delle galassie satellite della Via Lattea, la Grande Nube di Magellano (LMC) – Fonte NASA
Per comprendere questo grande mistero ci viene in aiuto la scienza ed in particolare la Fisica, il cui scopo (uno dei tanti) consiste nel descrivere la varietà dei fenomeni in modo unificato, attraverso una chiave comune di interpretazione. Nei secoli questa scienza ha maturato dei caposaldi straordinari grazie agli studi di grandi menti alle quali dobbiamo il mondo odierno. In estrema sintesi Galilei, Kepler e Newton che unificarono la meccanica terrestre con la meccanica celeste, Maxwell che unificò i fenomeni elettrici, magnetici e l’ottica e Einstein che unificò la teoria gravitazionale con l’analisi della geometria dello spazio-tempo.
la fisica attuale non ci consente di comprendere completamente le architetture del cosmo – immagine del telescopio spaziale John Webb – Fonte NASA
Quello che Einstein non riuscì però ad ultimare fu l’integrazione di tutte le forze, ovvero determinare la teoria del campo unificato, nota come GUT (grand unification theory o grand unified theory), un insieme di teorie costruite per ottenere l’armonizzazione delle tre interazioni fondamentali (lasciando escluse le forze gravitazionali). La ricerca successiva è ancora in corso e mira quindi a sintetizzare la moltitudine dei fenomeni e la varietà delle forze (interazioni) in una Teoria del Tutto (TOE – Theory Of Everything), una formulazione fisica in grado di unificare matematicamente tutte e quattro le interazioni fondamentali (interazione nucleare forte, interazione nucleare debole, elettromagnetismo e la gravità), ovvero sia i fenomeni macroscopici (in accordo con la teoria della relatività generale di Albert Einstein) sia quelli atomici (analogamente alla meccanica quantistica che descrive il comportamento della materia, della radiazione e le reciproche interazioni, a livello atomico o subatomico).
La Teoria del Tutto ricerca un modello capace di spiegare, simultaneamente ed interamente, tutti i fenomeni fisici applicando la Teoria del campo unificato. Ad oggi, però, una di queste quattro interazioni, l’interazione gravitazionale, in particolare la curvatura dello spazio-tempo, già descritta da Albert Einstein nella sua relatività generale, è ancora inconciliabile con le altre tre.
E’ un argomento molto complesso per cui consentitemi di fare un passo indietro. Gli studi di Einstein furono una rivoluzione concettuale che diede alla massa1 un ruolo attivo nel determinare le caratteristiche dello spazio-tempo, che precedentemente non aveva nessuna relazione con questi parametri. In parole semplici, lo spazio-tempo è un concetto fisico che combina le nozioni tradizionalmente distinte dello spazio (3 dimensioni in cui viviamo, lunghezza, altezza e larghezza o X,Y,Z) con il tempo (inserito come 4 dimensione) identificano un’unica entità omogenea. Basandosi sulla teoria della relatività ristretta di Einstein, che stabiliva un’equivalenza fra lo spazio e il tempo, si assunse che la dimensione temporale (prima-dopo) delle tre dimensioni spaziali X,Y,Z che percepiamo, è percepita in modo diverso da osservatori in condizioni differenti ad un loro tempo T. Nello spazio-tempo quadridimensionale ogni punto (X,Y,Z,T) è detto evento ed ogni evento corrisponde ad un fenomeno che ha un valore solo in una certa posizione spaziale e in un certo momento.
Questa assunzione comporta che non solo il tempo ma anche lo spazio-tempo non ha più una vita autonoma e imperturbata. Potremmo immaginarci che la materia dice allo spazio-tempo come curvarsi e lo spazio-tempo curvo dice alla materia come muoversi.
distorsione dello spazio tempo causata dalla Terra
Spacetime curvature.png – Wikimedia Commons
Riassumendo, senza entrare negli aspetti matematici, che sono molto complessi, alla fine del XIX secolo si passò dalla meccanica classica (non in grado di descrivere il comportamento della materia e delle radiazioni elettromagnetiche), allo sviluppo di una nuova fisica, la meccanica quantistica, che unisce ed elabora un insieme di teorie formulate a cavallo del XIX e del XX secolo. La Quantistica si basa sul fatto che alcune grandezze a livello microscopico (come l’energia o il momento angolare) possono variare solo di valori discreti detti “quanti” (da cui il nome “teoria dei quanti” introdotto da Max Planck agli inizi del Novecento). La meccanica quantistica, che rappresenta assieme alla teoria della relatività di Einstein uno spartiacque rispetto alla meccanica classica, consentì quindi di descrivere finalmente anche le altre tre interazioni, ovvero quella elettromagnetica, quella forte e quella debole. Un deciso passo avanti ma restava però fuori la forza gravitazionale che sappiamo gioca un ruolo fondamentale per comprendere l’Universo.
La ricerca continuò cercando di collegare le teorie esistenti per ottenere una teoria del campo unificato (GUT) che spiegasse il comportamento della materia e dell’energia. Tra di esse la teoria delle stringhe, di cui parlerò nel prossimo articolo, che sembra offrire la possibilità di legare gli effetti della gravità alle altre tre forze fondamentali. Questo ci porterebbe finalmente alla Teoria del Tutto, una “architettura” che collega tutte le quattro interazioni, modificando le particelle elementari e rendendole differenti per natura e funzione. Un meccanismo che potrebbe farci comprendere l’essenza dell’Universo e fenomeni come la nascita e la morte delle stelle e i buchi neri. Nel nostro piccolo, sulla Terra, possiamo descrivere i fenomeni fisici facilmente con la meccanica classica, ipotizzando nulle alcune interazioni, ma andando oltre la Teoria del Tutto potrebbe darci la chiave di lettura dell’Universo.
Fine I parte – continua
Vincenzo Popio
1 la massa è una grandezza fisica propria dei corpi materiali che ne determina il comportamento dinamico quando sono soggetti all’influenza di forze esterne.
in anteprima la curvatura dello spazio – tempo – autore Lucas Vieira Barbosa – Fonte General relativity time and space distortion frame 1.png – Wikimedia Commons
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.
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