25 novembre 2006

Premio Nobel 2006 per la Fisica: le motivazioni

Bene, come promesso un po' di tempo fa cercherò di spiegare perché è stato assegnato il Nobel per la Fisica a John Mather e George Smoot.
Le motivazioni ufficiali dicono: For their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation.

Detto in parole povere significa che hanno scoperto (o meglio, verificato) che la radiazione di fondo, detta anche radiazione fossile, residuo del Big Bang, possiede una distribuzione di densità di energia simile a quella di un corpo nero, e hanno inoltre verificato che la sua intensità presenta delle piccolissime variazioni a seconda della direzione in cui la si misura (anisotropia).

Ma che significa? perché è importante?
Procedo con ordine.

Il corpo nero (non inganni il nome, non è necessariamente nero!) è un oggetto ideale, come se ne usano tanti in fisica, che ha la proprietà di assorbire totalmente la radiazione elettromagnetica che lo colpisce, riemettendola secondo una distribuzione che dipende esclusivamente dalla temperatura del corpo stesso. Per fare un esempio, le stelle costituiscono con buona approssimazione un corpo nero.

Per radiazione di fondo si intende invece quell'insieme di onde elettromagnetiche provenienti dal cosmo la cui sorgente non è identificabile con nessun particolare oggetto celeste. Esistono infatti numerose sorgenti di raggi X, gamma (che sono onde e.m. di diversa frequenza), di neutrini ecc., ma tutte sono riconducibili a particolari sistemi, come stelle di neutroni, galassie, quasar, buchi neri e così via. La radiazione di fondo, invece, permea tutto lo spazio, e la si interpreta come il residuo del Big Bang, l'evento che avrebbe dato vita all'Universo miliardi di anni fa.
Le misurazioni hanno rivelato che lo spettro della densità di energia (ovvero l'insieme dei valori assunti da essa per ogni intervallo di lunghezza d'onda esaminato) di questa radiazione si accorda in maniera ottima allo spettro di un corpo nero. La misura che ha fruttato il premio Nobel a Mather e Smoot ha infatti rivelato che c'è uno straordinario accordo tra i dati sperimentali e la curva teorica, per cui la radiazione di fondo è probabilmente la "migliore" realizzazione reale di un corpo nero, e rappresenta perciò una conferma del modello del Big Bang. In più, questo ha dato la possibilità di calcolare il valore della temperatura che permetteva il migliore accordo, per cui si è ottenuta una misura estremamente precisa della T della radiazione cosmica, che risulta essere di (2.725 +- 0.002) K. Si tratta di uno dei parametri cosmologici meglio determinati, allo stato attuale.

Per quanto riguarda l'anisotropia della radiazione di fondo, nell'ambito della teoria del Big Bang, considerando solo la forza gravitazionale, l'Universo si sarebbe dovuto espandere in maniera omogenea in tutte le direzioni (ovvero isotropa), e non si spiegherebbe quindi la formazione di macrostrutture come le stelle, le galassie ecc. Per spiegarle si deve tener conto delle fluttuazioni quantistiche che, nei primissimi istanti dopo l'esplosione, avrebbero provocato differenze nella densità di materia ed energia. La radiazione di fondo ha "memoria" di quelle differenze, e la misura dell'anisotropia fornisce quindi un'istantanea di quei primi momenti. Tale misura ha rappresentato una vera sfida, poichè si sono misurate variazioni di temperatura dell'ordine del decimillesimo (come si vede nella terza delle immagini riportate sotto), e fornisce una conferma del modello inflazionario.

Per concludere, i dati pubblicati appartengono a un campo (quello della cosmologia) che per sua natura ha grosse difficoltà nel reperire elementi decisivi che permettano di capire quale sia la teoria che spiega più correttamente l'origine dell'universo. Dunque il loro contributo è molto importante, perché fornisce indicazioni utili e limiti più ristretti alle ipotesi fatte fino a ora, essendo in accordo con le previsioni della teoria inflazionaria.

8 commenti:

squitto ha detto...

ehm... me lo leggo con calma dopo, prima mi deve passare il mal di testa... ;-))

Beren ha detto...

Lo so che è un argomento ostico, ma speravo di riuscire a renderlo almeno un pochino più chiaro...

squitto ha detto...

eccomi.
No, in realtà è chiarissimo.
Il mio mal di testa di oggi era reale, e non era una battuta, e siccome mi si ripercuote sulla vista, poi inizia quell'effetto a catena per cui qualunque cosa leggi diventa una pugnalata nel cervello.

Sostanzialmente, la loro scoperta dimostra un principio fondamentale: la disuniformità del sistema in cui è avvenuta l'espansione, o, in alternativa la disuniformità dell'espansione in sé.
Se l'universo si fosse espanso secondo un principio di isotropia in un sistema uniforme, non si capisce per quale motivo qui e là avrebbero dovuto prendere forma cose diverse rispetto ad un altro punto, in sostanza il "risultato" in ognuno dei punti avrebbe dovuto semplicemente essere identico a quello del punto adiacente (ovviamente comunque vincolato ad un debito gradiente, a sua volta però, uniforme in ogni punto della circonferenza del livello del sistema "sferico" considerato).
Va da sé che l'isotropia dell'universo risultante presuppone una parallela isotropia nelle condizioni al contorno, cioè condizioni la cui variazione segua un gradiente a sua volta costante nell'insieme considerato. Anche solo intuitivamente questo è assurdo, perché comunque è inevitabile che la distribuzione di massa ed energia segua una distribuzione statistica, ma non statica, e che non è in alcun modo indicativa della situazione di quel punto in quel momento.
Infatti l'universo è asimmetrico.
Naturalmente però, l'intuizione non è legge, né della matematica, né della fisica e richiede di essere dimostrata, e mi pare di capire che questo sia ciò che loro hanno fatto.


PS: mi sono riletta, e non mi capisco più. Se mi sono persa, vi chiedo scusa...

Beren ha detto...

Ah, ok, spero che ti sia passato...

Quello che scrivi nella prima parte è giusto, attenzione però perché un'espansione dovuta alla sola forza gravitazionale sarebbe realmente isotropa.
Le condizioni al contorno di cui parli non sono definibili, perché la frontiera dell'espansione è il nulla. Ovvero, è lo stesso spazio-tempo che si espande laddove prima non c'era. Le questioni sulla densità di massa ed energia sono quindi consequenziali alla natura dell'espansione.

E qui entra in gioco la meccanica quantistica con le sue fluttuazioni (l'ho scritto, ma forse non l'ho evidenziato abbastanza) che hanno avuto luogo sulle piccolissime distanze in gioco nei primi istanti (tipo del femtosecondo) di vita dell'universo.
Sono state queste a provocare la formazione delle strutture e l'anisotropia della radiazione cosmica, misurata con grande precisione dall'esperimento che ha fruttato il Nobel.

In ogni caso, sono lusingato dall'attenzione con cui hai letto il post, grazie!
Non è stata fatica sprecata. :)

squitto ha detto...

No,l'avevi evidenziato benissimo, anzi.
Ed è molto chiaro.
Diciamo che io mi sono espressa usando una terminologia da meccanica classica, e parlando di isotropia delle condizioni al contorno intendevo una situazione non realizzabile, proprio in quanto il contorno stesso dipende dall'espansione in sé, e va da sé che se essa in partenza è anisotropa creerà condizioni non uniformi via via che procede.
Quindi modifico la mia prima affermazione in "la disuniformità del sistema in cui è avvenuta l'espansione, che dipende dalla disuniformità dell'espansione.
Ora mi zittisco, perché la cosmologia non è esattamente il mio campo, e 'sta cosa mi sta diventando uno scioglilingua...

Comunque grazie a te, perché sono sempre argomenti stimolanti e trovarli spiegati così chiaramente fa sempre piacere :-))

Beren ha detto...

"Ora mi zittisco, perché la cosmologia non è esattamente il mio campo, e 'sta cosa mi sta diventando uno scioglilingua..."

No no, guarda che vai benissimo... ;)

Maedhros ha detto...

Le condizioni al contorno di cui parli non sono definibili, perché la frontiera dell'espansione è il nulla. Ovvero, è lo stesso spazio-tempo che si espande laddove prima non c'era.
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Questa è una cosa che mi fa letteralmente impazzire.
Perché non riesco a concepirla, e la vivo come un limite del mio sistema cerebrale.
E mi deprimo.

Dove prima non c'era. E cosa c'era al suo posto? Il Nulla! Cioè, niente. Non c'era niente.
Ma come si fa a concepire una cosa del genere?

D'altra parte, se c'era il Nulla, e quindi non c'era niente, il Botto iniziale perché è avvenuto? E come è avvenuto? E perché è avvenuto?

E lasciamo perdere poi la difficoltà di immaginare la possibilità di misurare qualcosa avvenuto 13 miliardi di anni fa a distanze inconcepibili.
Ma almeno questo posso concepirlo.

Insomma, m'hai rovinato con questo post.
:-)

Beren ha detto...

Aspetta, cerco di consolarti...

Puoi immaginare l'espansione dell'Universo come un palloncino che si gonfia, con la sola differenza che le dimensioni, invece di essere due, sono quattro.

In analogia, noi saremmo confinati nelle nostre quattro dimensioni così come lo sarebbe un essere bidimensionale sulla superficie del palloncino (hai mai letto Flatlandia? ecco, più o meno così).

A questo punto, ciò che c'è oltre le nostre 4 dimensioni sarebbe ciò che noi chiamiamo Nulla, ma magari è semplicemente qualcos'altro...