Descrivere come si è formato luniverso

Del Dr. Gary L. Deel  |  14/05/2024

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I misteri che circondano l'origine dell'universo hanno affascinato le nostre menti per secoli, suscitando curiosità e contemplazione in epoche diverse. Che si tratti di trasmettere miti, esplorare lo spazio o creare ipotesi scientifiche moderne, l'umanità ha cercato di svelare i numerosi segreti del cosmo che ci avvolge.

 

Cosmologia: la nascita di miti e racconti

Molto prima che l'esplorazione scientifica prendesse il centro della scena, varie civiltà in tutto il mondo hanno creato storie elaborate per spiegare come è nato l'universo. Queste storie, ricche di simbolismo e di significato metaforico, hanno fornito alle società un quadro narrativo per comprendere la complessità dell'ambiente circostante e la loro rilevanza.

Nella cosmologia egizia, le persone credevano che l'universo emergesse dalle acque primordiali del dio creatore, Nun, e che queste acque formassero un abisso con un potenziale illimitato e infinite possibilità. Al dio del sole, Atum, è stato attribuito il merito di aver portato struttura e forma nel cosmo attraverso la sua abilità creativa.

Allo stesso modo, l'antica cosmogonia greca racconta la storia del dio primordiale Caos che dà vita all'universo, da dove emersero gli dei Gaia (Terra), Urano (Cielo) e altre divinità primordiali. Questi antichi miti non spiegano in modo coerente nessuno degli eventi naturali del nostro universo, ma trasmettono storie culturali che rispecchiano i valori, le credenze e i sogni della società.

 

L'emergere della cosmologia moderna e la teoria del Big Bang

Il 20° secolo ha segnato un cambiamento nella nostra comprensione di come l'universo ha avuto inizio cosmologia moderna. Negli anni '20, la rivoluzionaria scoperta di Edwin Hubble di un universo in espansione ha gettato le basi per lo sviluppo di quella che chiamiamo la teoria del Big Bang, che ha rimodellato la nostra comprensione dello sviluppo cosmico.

La teoria del Big Bang suggerisce che circa 13,8 miliardi di anni fa, l'intero universo è iniziato da un singolo punto denso ed estremamente caldo, secondo il Center for Astrophysics. Questo punto è noto come "singolarità" e segna l'inizio di ciò che ora conosciamo come spazio, tempo e materia.

Man mano che lo spazio si espandeva e si raffreddava nel tempo, le particelle subatomiche si fusero per formare atomi che in seguito si evolsero in galassie, stelle e pianeti distanti. Alla fine ha plasmato il nostro sistema solare e la struttura cosmica che abbiamo oggi.

La capacità della teoria del Big Bang di tenere conto di varie osservazioni, dalla radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) alla distribuzione delle galassie, lo ha stabilito come il modello primario in cosmologia. Tuttavia, come tutte le teorie, la teoria del Big Bang ha i suoi limiti e ha scatenato continue discussioni ed esplorazioni su modelli alternativi di evoluzione cosmica.

Ad esempio, i primi cosmologi hanno identificato due problemi significativi con la teoria del Big Bang: il problema dell'orizzonte e il problema della planarità.

 

Il problema dell'orizzonte e la radiazione cosmica di fondo a microonde

Il problema dell'orizzonte diventa evidente quando i ricercatori esaminano l'uniformità e la consistenza della radiazione cosmica di fondo a microonde. La radiazione CMB è la radiazione termica rimasta dalla formazione del nostro universo quando aveva circa 380.000 anni. Questa radiazione si è verificata poco dopo il Big Bang, quando la luce visibile poteva muoversi liberamente senza ostacoli.

La consistenza apparente della CMB, che riflette le variazioni di temperatura su una scala di una parte su 100.000 – indica che i confini più remoti dello spazio esterno erano un tempo in equilibrio termico. In altre parole, le parti più distanti dell'universo avevano una volta la stessa temperatura, suggerendo che il calore era distribuito uniformemente in tutte le direzioni.

Tuttavia, queste regioni sono molto distanti. Considerando l'età del nostro universo e la velocità della luce (circa 186.000 miglia al secondo), dovrebbe essere fisicamente impossibile che queste regioni possano essere state abbastanza vicine da interagire ed equilibrarsi direttamente dall'inizio del Big Bang. Per dirla più semplicemente, il problema dell'orizzonte solleva una domanda impellente su come le parti distanti dell'universo possano in qualche modo finire con temperature e caratteristiche così simili.

 

Il problema

della

planarità Il problema della planarità, d'altra parte, riguarda la forma e la curvatura complessiva dell'universo. Secondo la teoria della relatività di Einstein, la forma dell'universo è determinata dalla massa e dall'energia, che è descritta da una misura di curvatura chiamata Omega (Ω).

Un universo con "Ω = 1" è piatto, non indica alcuna curvatura e soddisfa il requisito critico di densità in cui il tasso di espansione dell'universo dovrebbe eventualmente rallentare e avvicinarsi allo zero senza mai raggiungere lo zero. Significa che un graduale rallentamento dell'espansione dell'universo nel tempo non si ferma mai.

Inizialmente, la teoria originale del Big Bang suggeriva che subito dopo il Big Bang, l'universo avrebbe dovuto essere molto vicino alla densità critica (Ω ≈ 1/piatto in forma). Ma con il passare del tempo e l'espansione dell'universo continua, anche una piccola deviazione dalla densità critica si ingrandiva nel tempo, risultando in un universo significativamente curvo, "aperto" (Ω < 1) o "chiuso" (Ω > 1).

Ma l'universo che osserviamo con i nostri strumenti scientifici oggi è piatto. Quindi la domanda è: come è possibile?

 

I primi momenti della creazione: come si è espanso l'universo e le fluttuazioni quantistiche

Per risolvere questo tipo di problemi, i cosmologi moderni hanno avanzato diverse teorie per spiegare meglio le proprietà e i fenomeni dell'universo. Una delle teorie più sobrie ed empiricamente supportate è la teoria dell'inflazione cosmica, proposta per la prima volta dal fisico Alan Guth negli anni '80.

Secondo la teoria dell'inflazione cosmica di Guth, c'è stata un'espansione esponenziale entro una frazione di secondo dopo il Big Bang. Questo periodo di inflazione pose le basi per la struttura e la composizione osservabili dell'universo che vediamo oggi.

La teoria di Guth è coerente con prove scientifiche osservabili. Risolve anche diversi misteri cosmologici duraturi, tra cui il problema dell'orizzonte e la piattezza   Per

quanto riguarda il problema dell'orizzonte, la teoria dell'inflazione cosmica teorizza che l'universo abbia sperimentato un'espansione esponenziale nella prima frazione di secondo dopo il Big Bang. Questo periodo di inflazione ha esteso l'universo oltre il suo orizzonte visibile, consentendo a regioni distanti di entrare in contatto causale e raggiungere l'equilibrio termico. Questa teoria significa che l'espansione ha permesso alle aree distanti dell'universo di interagire e influenzarsi a vicenda, con il risultato che hanno raggiunto la stessa temperatura.

In altre parole, la fisica descritta dalla teoria dell'inflazione cosmica permetterebbe all'universo attuale di espandersi più velocemente della velocità della luce durante questo primo periodo inflazionistico. Ciò avrebbe eliminato i problemi della distanza e del tempo che impedivano l'equilibrio termico.

Per quanto riguarda il problema della planarità, la teoria dell'inflazione cosmica suggerisce che il periodo di rapida e significativa espansione ha portato a un aumento del fattore di scala dell'universo, che determina le dimensioni relative delle dimensioni spaziali (la dimensione dello spazio stesso).

Di conseguenza, qualsiasi leggera deviazione da una geometria piatta nell'universo primordiale sarebbe stata notevolmente allungata e indebolita durante questo periodo inflazionistico. In altre parole, la rapida espansione avrebbe attenuato queste deviazioni, rendendo l'universo più uniformemente piatto.

Durante la crescita dell'universo, la densità di energia legata al campo di inflazione è diventata dominante su altre forme di energia come la radiazione e la materia. Questa dominanza avrebbe avuto un effetto livellante sulla geometria dell'intero universo, avvicinandolo a una configurazione piatta.

Quindi la cosmologia inflazionaria degli anni '80 fornisce soluzioni convincenti a questo tipo di domande sull'origine dell'universo. Rimodella la nostra comprensione delle prime dinamiche e getta le basi per la moderna teorie cosmologiche.

I ricercatori ritengono che questa inflazione sia stata innescata da fluttuazioni quantistiche all'interno del tessuto dello spazio-tempo, un fenomeno previsto dalla meccanica quantistica. A questi livelli quantistici, si ritiene che piccole fluttuazioni siano state amplificate durante l'inflazione, che ha introdotto irregolarità e differenze che alla fine si sono sviluppate nelle prime galassie, ammassi di galassie e formazioni cosmiche a livello macro.

 

Con

i progressi della cosmologia, gli scienziati stanno prendendo in considerazione il concetto che il nostro universo potrebbe essere solo uno tra i tanti in un esteso "multiverso". Questa teoria suggerisce che potrebbe esistere un numero infinito di universi, ognuno con le proprie leggi fisiche, costanti e caratteristiche distinte.

Sebbene questa ipotesi sia ancora speculativa e al di là delle odierne capacità di verifica empirica, L'ipotesi del multiverso presenta una spiegazione accattivante per alcuni degli aspetti più sconcertanti dell'universo. Ad esempio, la regolazione precisa delle costanti e dei parametri nel nostro universo per supportare la vita potrebbe trovare giustificazione in uno scenario multiverso in cui ogni regione possiede proprietà uniche.

In tal caso, il nostro universo non sarebbe progettato per sostenere l'esistenza della vita come la conosciamo, ma è piuttosto il prodotto del caso e della coincidenza. Potrebbero esserci molti altri universi all'interno del multiverso che non sono in grado di sostenere tale vita. 

 

Ora

che abbiamo parlato delle prime origini dell'universo, una domanda legittima che potresti pensare è: "Come andrà a finire?" Non c'è modo di saperlo con certezza, Ma gli scienziati hanno alcune teorie.

I concetti di accelerazione dell'espansione, così come il Big Rip e la teoria del Big Freeze, offrono intuizioni sui potenziali futuri dell'universo.

 

Dopo

che la teoria del Big Bang per l'inizio dell'universo è stata definitivamente stabilita, i ricercatori hanno dedotto che la forza di gravità avrebbe rallentato l'espansione dell'universo nel tempo, poiché tutta la materia contenuta nell'universo si tira su se stessa per riunirsi. Credevano che la gravità alla fine avrebbe fermato l'espansione. Poi, si verificherebbe un rinculo e farebbe sì che tutto si ricomponga lentamente, forse fino a un unico punto.

I ricercatori hanno chiamato questa teoria Big Crunch. Ha anche dato origine all'idea che forse l'universo sperimenta un ciclo ripetuto di rimbalzi mentre si espande e si contrae più e più volte a causa di forze in competizione che cercano di dominarsi a vicenda.

Ma l'osservazione scientifica del tasso di espansione dell'universo ha rivelato che è non rallentare. Invece, in realtà è in aumento.

Questa scoperta inaspettata, tratta dallo studio delle supernove alla fine degli anni '90, suggerisce che una forza misteriosa chiamata energia oscura si oppone alla gravità su scala cosmica e accelera l'espansione dell'universo.

La presenza di energia oscura che spinge questa espansione accelerata ha implicazioni significative per ciò che attende il nostro universo. Suggerisce che le galassie continueranno ad allontanarsi a un ritmo sempre crescente.

 

Portando

l'accelerazione dell'espansione dell'universo alla sua inevitabile conclusione, la teoria del Big Rip fornisce un quadro vivido e drammatico di una possibilità per il destino del nostro universo. Questa teoria suggerisce che la forza repulsiva dell'energia oscura diventa più forte nel tempo e può sopraffare tutte le altre forze, inclusa l'attrazione gravitazionale all'interno di galassie, stelle e particelle subatomiche.

come l'universo si espande sempre più velocemente in questo scenario, la teoria del Big Rip prevede che le galassie si allontanino l'una dall'altra, cosa che sta già accadendo oggi. Alla fine, le forze gravitazionali che legano insieme galassie, stelle, pianeti e atomi potrebbero anche soccombere all'influenza opprimente dell'energia oscura.

Questo evento catastrofico avrebbe provocato la distruzione delle strutture cosmiche, causando la rottura della materia nei suoi componenti di base e portando alla lacerazione dello spazio-tempo stesso al livello più fondamentale. In poche parole, l'energia oscura "strapperebbe a pezzi tutto nell'universo.

 

La teoria del Big Freeze

La teoria del Big Freeze (nota anche come teoria della morte termica) presenta un destino più graduale e sommesso per l'universo. Secondo il Big Freeze, l'universo continuerà ad espandersi a un ritmo crescente a causa dell'energia oscura, causando un graduale aumento della materia e dell'energia assottigliarsi per immensi periodi di tempo.

Man mano che le galassie si allontanano e l'universo diventa più freddo e più arido, nuove stelle smetteranno di formarsi e quelle esistenti si bruceranno lentamente. Alla fine, l'universo raggiungerà uno stato di massima entropia, in cui tutta l'energia è uniformemente dispersa senza alcun potenziale di interazione con la materia.

In questo stato, chiamato Morte da Calore da alcuni teorici, l'universo diventerebbe un vuoto freddo e oscuro. Non ci sarebbe vita, luce o alcuna struttura o attività riconoscibile.

 

Esplorare altre frontiere cosmologiche

Nonostante i progressi compiuti nello svelare le origini e l'evoluzione dell'universo, la cosmologia continua a porre ostacoli, incertezze e domande irrisolte. Ad esempio, la materia oscura e l'energia oscura rappresentano collettivamente circa il 95% dell'energia di massa totale dell'universo, ma questi componenti del nostro universo rimangono un mistero completo nell'astrofisica moderna e cosmologia. Anche se possiamo dedurre la loro esistenza e persino misurarli fino a un certo punto, non sappiamo quasi nulla su di loro.

Inoltre, l'origine sfuggente della singolarità stessa, come punto di partenza da cui l'universo sembra essere emerso, continua a lasciare perplessi i ricercatori. Le attuali ipotesi scientifiche come la gravità quantistica a loop e la teoria delle stringhe hanno tentato di fondere la relatività di Einstein con la meccanica quantistica per creare una teoria unificata dell'universo. Tuttavia, questo lavoro è incompleto nella migliore delle ipotesi finora.

 

La ricerca per capire l'origine dell'universo continua

L'inizio del nostro universo è uno dei misteri dell'umanità che hanno affascinato mitologie, filosofie e sforzi scientifici. Dai miti cosmologici che descrivono il caos primordiale alle teorie cosmologiche contemporanee formulate attraverso intricati studi matematici e calcoli, la nostra comprensione di come L'universo è venuto ad esistere, si è evoluto nel tempo. Questa evoluzione riflette la nostra curiosità, immaginazione e determinazione a svelare i misteri che circondano la nostra esistenza nel nostro vasto cosmo.

Mentre approfondiamo le dinamiche cosmiche attraverso l'esplorazione scientifica, siamo umiliati dalla vastità, dalla complessità e dallo splendore che definiscono la nostra comprensione in continua espansione del cosmo. Ogni teoria cosmologica, che riguardi il Big Bang, l'inflazione cosmica o l'idea di un multiverso pieno di realtà, fornisce una prospettiva affascinante della nascita e dell'evoluzione dell'universo.

Suscita curiosità, stupore e una profonda sensazione di connessione con il cosmo in generale e tra di noi sulla Terra. Quindi dovremmo continuare il lavoro di comprensione dell'universo e vedere dove ci porta la verità.

 

Lauree in Studi Spaziali presso l'American Public University

Per gli studenti interessati ad esplorare Argomenti di studi spaziali come il volo spaziale, l'astronomia, i buchi neri, la materia oscura, il sistema solare e altri argomenti correlati, l'American Public University (APU) offre tre lauree:

A livello di laurea, APU offre SPST441, un corso di cosmologia, come una delle classi nella concentrazione in astronomia. L'apprendimento della cosmologia presso l'APU offre agli studenti la possibilità di approfondire i misteri dell'universo e migliorare le loro abilità e conoscenze di astrofisica. Questa lezione esplora l'origine dell'universo e come si è evoluto, comprese le domande sulla vita, l'esistenza e la nostra posizione nel vasto cosmo.

Le lezioni dell'APU sono tenute da istruttori esperti e il nostro formato asincrono consente agli studenti di studiare al proprio ritmo. Per ulteriori informazioni, consulta la nostra pagina del programma di matematica e scienze.

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