Paul J. Steinhardt Neil Turok 19/12/

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1 Paul J. Steinhardt Neil Turok 19/12/

2 Due modelli a confronto Modello INFLAZIONARIO Modello Ciclico

3 Modello inflazionario Nel modello inflazionario la maggior parte dello spazio si trova in uno stato brado, non controllato soggetto a un inflazione di altissima energia Presenza di regioni cosmiche a sviluppo diversificato : ipotesi di MULTIVERSO Il modello dipende dal punto di osservazione del presente universo e dalle condizioni di esistenza dell uomo: potrebbe essere diversissimo altrove Teoria degli universi Incistati

4 Universo ciclico Universo pressochè uniforme dappertutto Tutte le regioni dello spazio sono soggette ad un evoluzione controllata attraverso la ripetizione regolare di una serie di cicli, che cominciano tutti con un esplosione (bang) e terminano con un collasso (crunch). Ruolo determinante dell energia oscura come regolatore dei cicli Tutte le regioni producono continuamente galassie, stelle, pianeti e probabilmente la stessa vita L universo è il risultato di un evoluzione dinamica governata dalle leggi della fisica Presuppone la validità della teoria delle stringhe

5 Sofferenze comuni La costante cosmologica di E.Einstein! Nel caso del modello INFLAZIONARIO: Il minuscolo valore della costante è attribuito al caso e ad una sorta di selezione antropica Nel caso del modello CICLICO: Il valore osservato della costante può essere spiegato come conseguenza di uno sviluppo molto lento che ha luogo nel corso di molti cicli evolutivi ripetuti.

6 Un punto di partenza 2001 Lancio del satellite missione WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Evoluzione del COBE (Cosmic Background Explorer lanciato dalla NASA nel 1989 con cui si ebbe una prima immagine a bassa risoluzione dell universo primordiale Scopo: Raccolta di dati sulla luce emessa dallo strato oscuro 14 miliardi di anni fa. Rilevazione: Ogni 2.2 min il satellite compie un moto di rotazione intorno al propri asse e ogni ora un giro di rivoluzione intorno ad un secondo asse detto di precessione. La combinazione dei due movimenti consente di cogliere la luce proveniente da uno stretto anello dello spazio. Ciclo ripetuto ogni 6 mesi. Febbraio 2003: Primi risultati scientifici del coordinamento missione di Charles Bennett e colleghi. Misure in accordo con le previsioni dei cosmologi

7 Il fatto La luce proveniente dallo strato WMAP non è influenzata dalla curvatura dello spazio: dunque lo spazio è EUCLIDEO cioè a CURVATURA ZERO!

8 Un anziano defunto Il modello Stazionario: la materia è preesistente e distribuita uniformemente nello spazio Esistenza da sempre senza espansione o contrazione Due cause del decesso: Hubble, scoperta del raggruppamento della materia in galassie distribuite in tutto l universo: le galassie si spostano le une dalle altre e lo spazio è in espansione Arno Penzias e Robert Wilson (Bell Laboratory) scoperta della radiazione cosmica di fondo: evidenza diretta di un periodo in cui la tempratura e la densità dell Universo erano maggiori di quelle attuali Affermazione del modello dell ESPANSIONE DELL UNIVERSO elaborato da Alexander Friedmann e George Lamaitre (su base relatività), sviluppato da George Gamow (anni 40 ): Universo fatto di MATERIA ORDINARIA

9 Due ospiti inquietanti! MATERIA OSCURA (Anni 30 Fritz Zwicky, Anni 80 ) : per spiegare il moto osservato all interno delle galassie e negli ammassi di galassie (fenomeno del lensing gravitazionale) ENERGIA OSCURA (primi anni 90 ): da studi su velocità di recessione di supernove di tipo Ia, confrontate con quelle più vicine per spiegare l attuale accelerazione dell universo; gravitazionalmente REPULSIVA (vedi costante cosmologica : energia del vuoto )

10 Lensing Gravitazionale

11 Energia oscura

12 Un dramma in tre atti I ATTO - RADIAZIONE: Le radiazioni sono la causa principale della densità di energia II ATTO- MATERIA: La densità delle radiazioni cade al di sotto del livello che caratterizza quella della materia III ATTO ENERGIA OSCURA: L energia oscura, con l attenuarsi della densità della materia e delle radiazioni contribuisce in maniera preponderante alla densità di energia dell universo

13 Modello inflazionario

14 Sulla scena Nessuna curvatura dello spazio: materia e radiazioni distribuite uniformemente Universo semplice e comprensibile: hanno lo stesso valore in ogni punto dello spazio le leggi della MECCANICA QUANTISTICA, le leggi della FISICA NUCLEARE e STATISTICHE, che governano i processi di combustione delle stelle, le leggi dell ELETTROMAGNETISMO e quelle della DINAMICA DEI FLUIDI.

15 Il Colpo di scena: ATTO II Tre rompicapo: Problema dell OMOGENEITÀ Problema della DISOMOGENEITA Problema della CURVATURA DELLO SPAZIO

16 Prima della scena Singolarità matematica Ipotesi di una ENERGIA INFLAZIONARIA enormemente DENSA, gravitazionalmente repulsiva, l espansione dell universo non ne determina la rarefazione (la densità di energia si distribuisce ma non diminuisce Spettacolare e improvvisa espansione seguita al momento iniziale, presenza del PLASMA, presenza di DISOMOGENEITA che danno origine all ATTO II.

17 DECADIMENTO DELL ENERGIA INFLAZIONARIA MATERIA ORDINARIA RADIAZIONI ENERGIA OSCURA Andamento casuale RUMORE INVARIANTE DI SCALA! Effetto delle fluttuazioni quantistiche: Una piccola increspatura nella distribuzione di energia su scala microscopica subisce da parte dell inflazione un azione di estensione, al termine della quale si trova ad abbracciare una distanza cosmica: LA DISTRIBUZIONE DI ENERGIA NON E PERFETTAMENTE OMOGENEA

18 INTENSITA DEL CAMPO DI HIGGS

19 La Ricerca di Teorie unificate SIMMETRIA: possibilità che diverse particelle elementari perdano alle alte temperature le caratteristiche che li distinguano l una dall altra SUPERSIMMETRIA: con la collisione di particelle a energie molto elevate per ogni particella esiste una particella portatrice di forza compagna (partner); ricerca con LHC Large Hadron Collider. >Comprende la relatività e la simmetria STRINGHE COSMICHE

20 Teoria dei campi e suoi limiti Nascita da spiegazione forza elettronucleare forte Se due particelle puntiformi collidono la loro energia risulta concentrata in un punto; si ha la formazione di un campo gravitazionale intenso che provoca una curvatura dello spazio e attira ancora più energia processo incontrollato di collasso dello spazio comparsa della SINGOLARITA matematica Collasso della teoria

21 Teoria delle stringhe cosmiche Stringhe vibranti che assorbono energia attraverso le vibrazioni e rendono possibile la sua dispersione attraverso il mutamento di configurazione Risultati sensati e finiti Non si hanno discontinuità e singolarità all infinito Nove dimensioni spaziali nascoste Fioritura geometrica Giustificazione di masse, cariche e spin delle particelle Presenza di membrane con 2 o più dimensioni

22 La Teoria (del) M (-istero) Modello di Horava-Witten Solamente 2 brane 10 dimensioni Sogno di Einstein di descrivere la realtà con un unica rappresentazione geometrica Revisione del rapporto fondamentale tra fisica e cosmologia

23 Universo ECPIROTICO, o della grande CONFLAGRAZIONE!...

24 Illustri predecessori Eraclito di Efeso: Il cosmo si genera dal fuoco e di nuovo si risolve in fuoco periodicamente; questo processo, che sempre si ripete con costante alternanza nel corso perenne del tempo, accade secondo una fatale necessità. Degli opposti quello che porta alla genesi si chiama guerra e contesa, l altro che porta alla conflagrazione si chiama concordia e pace, e il mutamento è una via in su e in giù, a cui si deve la formazione del cosmo. (in Diogene Laerzio, Vite dei filosofi, 9, I, 8)

25 Cicerone: Vi sarà infine una conflagrazione dell intero mondo [ ] Non rimarrà nient altro che il fuoco dal quale poiché è pervaso di un anima e divina è la sua natura si produrrà un rinnovamento del mondo [ a quo rursum animante ac deo renovatio mundi fieret], e il mondo rinascerà completo delle sue parti [atque idem ornatus oreretur] (in De Natura deorum (II,118)

26 Contra Genesi I: La terra era informe e vuota, le tenebre coprivano la faccia dell'abisso e lo Spirito di Dio aleggiava sulla superficie delle acque. 3 Dio disse: «Sia luce!» E luce fu. 4 Dio vide che la luce era buona; e Dio separò la luce dalle tenebre. 5 Dio chiamò la luce «giorno» e le tenebre «notte». Fu sera, poi fu mattina: primo giorno. (Genesi 1, 1-5)

27 Agostino: Ecco come rispondo a chi chiede: che cosa faceva Dio prima di fare il cielo e la terra?. Non rispondo come quel tale, che, dicono, eludendo con una facezia l insidiosità della domanda, rispose: Preparava la geenna per chi scruta i misteri profondi. Altro è capire, altro è schernire. Io non risponderò così. Preferirei rispondere: Non so ciò che non so, anziché in modo d attirare il ridicolo su chi ha posto una domanda profonda, e la lode a chi diede una risposta falsa. Invece dico che tu, Dio nostro, sei il creatore d ogni cosa creata; e se col nome di cielo e di terra s intende ogni cosa creata, arditamente dico: Dio, prima di fare il cielo e la terra, non faceva alcunchè. (Confessioni XI,12)

28 Specchio, specchio delle mie BRANE!

29 Il ciclo

30 Inflazionario Vs. Ciclico

31 Il ruolo dell energia oscura nel modello ciclico L energia oscura accelera la velocità di espansione Ruolo di stabilizzazione dell energia oscura Ammortizzatore tra le brane convertendo energia cinetica in energia gravitazionale Autointerruzione per evoluzione verso lo stadio successivo (identificazione dell energia oscura con l energia potenziale associata alla forza di tipo elastico che attrae le brane

32 Ammortizzatore cosmico

33 Problemi! Perché l energia non si esaurisce? La gravità garantisce il riciclo del movimento delle brane (potenzialmente energia negativa illimitata): durante ciascun ciclo una quantità finita di energia gravitazionale è convertita automaticamente in energia cinetica delle brane compensando la perdita di energia che in ciascun ciclo si trasforma in radiazione e materia.

34 Milestones 1. La temperatura della radiazione di fondo presenta variazioni pressochè invarianti di scala in tutto il cielo 2. Lo spazio è piatto (geometria euclidea) 3. La materia ordinaria e la materia oscura nell universo primordiale sono distribuite nella stessa configurazione, con andamento dei valori oscillante, come la temperatura della radiazione cosmica di fondo (adiabaticità) 4. Distribuzione con caratteristiche di rumore casuale, previste da teoria dell inflazione (distribuzione gaussiana) 5. L ampiezza delle variazioni di densità di energia presenta uno stato caratteristico di inclinazione TILT : deviazione sistematica dall invarianza di scala perfetta (minore fluttuazione quantica al termine del processo di inflazione).

35 Mappe di polarizzazione

36 Modello E Modello di polarizzazione rilevato della radiazione cosmica di fondo simile a quella riscontrata nei campi elettrici Fenomeno di polarizzazione dovuto allo stiramento della luce dispersa che ci ha raggiunto Diversità di polarizzazione dovuta ad onde gravitazionali (Sia modo E che modo B, queste ultime non rilevate) In caso di rilevazione di polarizzazione di tipo B > conferma del modello Inflazionario > generazione di onde gravitazionali dovute alla fine del processo inflazionario (es. elastico rilasciato in più punti)

37 La costante cosmologica Nel modello inflazionario il minuscolo valore della costante cosmologica (o, equivalentemente, della densità di energia oscura) è attribuito al caso e ad una sorta di selezione antropica Nel modello Ciclico il valore osservato della c.c. può essere spiegato come conseguenza di uno sviluppo molto lento che ha luogo nel corso di molti cicli evolutivi ripetuti

38 Inflazione eterna Alan Guth: Universi incistati Fluttuazioni quantiche responsabili del decadimento dell energia inflazionaria in alcune regioni prima che in altre, dovuto al sommarsi progressivo di impulsi quantici casuali, che hanno accelerato o rallentato il processo di inflazione. La piccola differenza risultante da questa sommatoria di impulsi di segno opposto determina piccole variazioni locali della temperatura della radiazione cosmica di fondo, come quelle documentate dall immagine Wmap, e piccole variazioni di densità di energia, come quelle necessarie per la formazione delle galassie Creazione di tasche, sacche o bolge ingrandite a dismisura dall impulso inflazionario, tra le quali non c è scambio di informazione e materia > INFLAZIONE ETERNA Esito dell inflazione non dipendente dalle condizioni iniziali >INFLAZIONE CAOTICA Differenza di leggi fisiche evolutesi all interno dei differenti universi > frutto del caso Difficoltà di riferirsi ad un TEMPO COMUNE che permetterebbe la valutazione delle condizioni dei differenti universi (non c è un unico modo di sincronizzare gli orologi per la relatività generale)

39 Novità dallo spazio e dalla terra! Osservazione nulla di materia oscura (Christian Moni Bodin, Università Conception-Cile, osservazioni presso European Southern Observatory, La Silla), misurazione della velocità di 400 giganti rosse in direzione del polo sud galattico: studio su quantità di materia, sia ordinaria che oscura contenuta nel volume selezionato > a fronte di una quantittà di materia oscura prevista di 1 kg in un volume come quello della terra rilevazione di un valore praticamente nullo: Moto delle stelle osservate spiegabile con la sola MATERIA ORDINARIA Messa in crisi dei modelli di formazione delle galassie grazie da materia oscura (Emiliano Ricci, Le scienze, Giugno 2012) Bosone di Higgs: il vuoto quantistico del nostro universo, calcolato grazie al Modello standard delle interazioni fondamentali confermato dalla scoperta del Bosone di Higgs è metastabile, > dinamica attiva dell energia di Planck > esistenza dei multiversi (Robero Battiston, Le Scienze, Ottobre 2012) >IL NOSTRO UNIVERSO caso particolare di un tipo di UNIVERSI più probabili di altri.

40 Una riflessione filosofica Il modello ciclico non include la presenza di una causa prima del mondo, ma al limite di una presenza demiurgica modellatrice; (modello platonico) Dinamicità chiusa nella ciclicità Mondo chiuso Concezione infinita del tempo Riduzione della complessità e semplificazione della dinamicità Il modello inflazionario o di multiverso rende ragione della complessità e della dinamicità di evoluzione dell universo, diversificantesi da condizioni iniziali, rendendo accettabile un principio antropico e creazionistico. Compatibilità con le dinamiche evolutive dei SISTEMI COMPLESSI Concezione limitata del tempo dell universo Rende possibile una risalita per cause ontologicamente superiori verso la causa Prima (Tommaso). Mondi possibili Creazione continua

41 EPILOGO E un universo semplice e ciclico? E un Multi - verso diversificato e metastabile? SICURAMENTE è Dinamico, Complesso e Caotico!