Frontiere e questioni cosmologiche

Frontiere e questioni cosmologiche

Attacco alla relatività (L'entanglement)

Come molti effetti quantistici, l'entanglement viola alcune delle più radicate intuizioni sul mondo. E forse minaccia i fondamenti della relatività speciale (o ristretta) di Einstein.

L'entanglement sembra anche implicare il fenomeno inquietante e contro intuitivo detto "non località": causare un effetto fisico su un corpo senza toccarlo e senza toccare una sequenza di entità fisiche che vanno da noi a lui. La non località implica che "un pugno a Napoli può rompere un naso a Milano" senza toccare nessun oggetto fisico.

Nei suoi studi, Einstein trovò l'entanglement non solo una stranezza, ma una fonte di dubbi. Lo trovò inquietante. In particolare, sembrava non locale. In un noto scritto chiamato "paradosso EPR" cioè Einstein-Podolsky-Rosen fu dato per scontato che l'apparente non località della meccanica quantistica dovesse essere solo apparente, una sorta di anomalia matematica eliminabile dall'algoritmo.

Ma secondo recenti studi l'entanglement esiste veramente e lo si può trovare per esempio in campi dell'informatica nella trasmissione istantanea delle informazioni. La reale esistenza dell'entanglement comporterebbe però che sia ammissibile una velocità superiore alla luce scatenando in tal modo tutti i paradossi del viaggio nel tempo, come l'arrivo di un messaggio ancora prima di essere mandato!

Fig. 19 Effetti quantistici dell'Entanglement

La cosmologia di Einstein

il termine Cosmologico

Nel 1917 Einstein affrontò la cosmologia applicando la relatività generale alla struttura del cosmo. Da quel momento la cosmologia diventò una branca della fisica dinamica e vitale come  non mai in passato. Si iniziò a ipotizzare modelli di universo basati sui presupposti più svariati ma che sempre dovessero soddisfare la teoria della relatività. Furono ipotizzati modelli di universi omogenei o non, isotropi o non, aperti, chiusi, statici  o non. 

Ciò che insegna la relatività generale è che lo spazio-tempo è funzione della densità di materia.

Poiché la materia appare uniformemente distribuita su larga scala, l'ipotesi semplificatrice di ogni cosmologia globale è che la densità di materia sia uniforme. E fu questa la strada che portò poi al termine cosmologico.

Einstein cercava una soluzione in cui il volume dello spazio era determinato dalla materia, secondo una concezione di Mach, e dato che la materia era finita anche lo spazio dunque lo doveva essere. Finito ma illimitatamente percorribile. Infatti, secondo Einstein, se un viandante camminasse sempre dritto tornerebbe allo stesso luogo dalla direzione opposta.

Lo spazio e l'universo quindi risulta chiuso. Ma le equazioni con cui egli derivò lo spazio non ammettevano una soluzione statica, il che metteva in rischio l'intera concezione della fisica relativistica, in quanto sotto azione di una forza attrattiva, l'universo si restringerebbe implodendo fino a ridurre a zero il volume, e la densità di materia a quel punto diventerebbe infinita. Per rendere statica la soluzione, Einstein introdusse quindi un termine "cosmologico" repulsivo, il quale ha effetti trascurabili a piccole distanze ma risulta decisivo su larghe scale.

Tale modello però non durò a lungo, infatti non essendo sorretto da alcun dato sperimentale a favore, venne messo da parte.

Dalle ceneri del concetto cosmologico di Einstein tuttavia, nacque la moderna teoria del Big Bang, sostenuta da varie prove sperimentali.

Universo chiuso o aperto Fu solo nel 1929 che con la scoperta (dovuta a Hubble) dello spostamento verso il rosso 
delle galassie (red shift cosmologico) la cosmologia prese una direzione ben precisa : 
l'universo sembra espandersi. Osservando le galassie esse appaiono più rosse di quello che dovrebbero essere.

Ciò si può spiegare in base all'effetto Doppler. Questo effetto, che noi sperimentiamo 
comunemente nel campo delle onde acustiche (il fischio del treno che ci viene incontro
è più alto mentre è più basso quando si allontana), afferma che la frequenza di un'onda 
di qualunque tipo (acustica, elettromagnetica) emessa da una sorgente in moto relativo 
rispetto ad un osservatore appare maggiore se la sorgente si muove in direzione 
dell'osservatore, minore se si allontana.
Ora, se le galassie appaiono più rosse, ciò potrebbe significare che esse si stanno 
allontanando rispetto a noi. L'universo, quindi, si starebbe espandendo e, portando 
il processo all'indietro nel tempo, probabilmente, in  un lontano passato, esso doveva  
essere tutto concentrato in un volume limitato da cui, poi, è iniziata l'espansione. Questa 
è l'ipotesi  del big bang che oggi rappresenta la teoria più avvalorata sulle origini e 
l'evoluzione del cosmo.
Se l'universo si espande, ci possono essere due possibilità. O l'espansione dura per 
sempre e l'universo è destinato a diventare sempre più rarefatto e freddo oppure, dopo 
l'espansione, se la massa totale è sufficientemente grande, l'universo comincerà ad 
implodere (big crunch) fino a tornare alla situazione iniziale per poi, magari, riesplodere 
e ricominciare ad espandersi di nuovo.
L'avverarsi di uno o l'altro dei modelli dipende dalla massa complessiva dell'universo.
La misura della massa totale è un problema assai complesso perché la massa di cui ci 
perviene 'informazione' è solo quella che emette radiazione elettromagnetica (al momento 
noi 'vediamo' l'universo attraverso telescopi ottici,  radiotelescopi, telescopi a raggi infrarossi, 
x ecc. ma tutti solo in grado di captare radiazioni elettromagnetiche).
Nell'universo, però, c'è sicuramente anche della massa della quale non ci perviene 
informazione, la cosiddetta materia oscura. E' formata almeno dai buchi neri e dai neutrini,

Fig. 21 Materia oscura 
nel caso essi abbiano massa non nulla (non è ancora chiaro se la massa del neutrino sia nulla
o no).
Se consideriamo solo la massa visibile, sembra che essa sia troppo piccola per contrapporsi all'espansione per cui l'universo dovrebbe espandersi per sempre. Il problema è aperto ma, 
mentre si stanno facendo stime ed ipotesi sempre più approfondite sulla massa oscura, una 
scoperta recente (ancora in fase di verifica) è destinata a rivoluzionare tutte le nostre idee riguardo
al cosmo : sembra che l'espansione dell'universo stia addirittura accelerando (in positivo).
Siamo forse alla vigilia della scoperta di una nuova forza ?

I limiti della relatività: I buchi neri e le singolarità

Il campo gravitazionale diviene così intenso da curvare talmente lo spazio-tempo  che nulla può più uscire da quella sfera, neanche la luce. Si ha così la  nascita di un buco nero. 
Un buco nero, per la sua caratteristica di non emettere nulla, non è visibile e quindi non può essere osservato direttamente. Una verifica dell'esattezza di questa teoria è assai problematica, però, indirettamente, si possono notare stelle che ruotano velocemente attorno ad un punto ed altri fenomeni analoghi. Evidenze di fenomeni  di questo tipo cominciano ad essere numerose per cui si può dedurre che siano causati da ipotetici buchi neri. Recentemente è stata fatta l'ipotesi che in effetti un buco nero non è poi così nero, esso emette materia e radiazione anche se in misura minima. Questo avverrebbe per fenomeni legati alla meccanica quantistica. In meccanica quantistica, una particella può superare, con una certa probabilità (non nulla) anche una barriera di potenziale che secondo la meccanica classica sarebbe insuperabile. Questo fenomeno, detto effetto tunnel, fa sì che io abbia una probabilità non nulla, per esempio, di saltare 10 metri in alto. E' chiaro che questa probabilità è pressoché nulla, però, per la legge dei grandi numeri, se facessi infiniti tentativi, avrei un numero di risultati positivi uguale alla probabilità teorica (rapportata al numero dei tentativi). In una stella collassata vi è un numero grandissimo di particelle, per cui qualcuna esce di fatto dal buco nero. Un buco nero evapora lentamente .

Secondo le teorie attualmente considerate, un buco nero può formarsi solamente da una stella che ha una massa superiore ad almeno 2,5 volte circa quella del Sole, come conseguenza del Limite di Chandrasekhar, anche se a causa dei vari processi di perdita di massa subiti dalle stelle al termine della loro vita occorre che la stella originaria sia almeno dieci volte più massiccia del Sole.

Bibliografia

Redazione Grandi Opere di Utet cultura, La Scienza (Spazio, tempo e materia), La biblioteca di Repubblica

Redazione Grandi Opere di Utet cultura, L'universo , La biblioteca di Repubblica

Einstein, Come io vedo il mondo, La teoria della Relatività, Grandi tascabili Economici Newton, Newton Compton Editori S.r.l., Roma 2008

Einstein, Il significato della Relatività, La teoria della Relatività, Grandi tascabili Economici Newton, Newton Compton Editori S.r.l., Roma 2008

Vincenzo Barone, Relatività Principi e applicazioni, Programma di Matematica e Fisica Elettronica, Bollati Boringhieri, Torino 2004

N. Abbagnano G. Fornero, Itinerari di filosofia, Da Schopenhauer alle teorie

novecentesche sula politica

https://e-book.blog.excite.it/

Le Scienze, maggio 2009

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