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0191. L'universo è in espansione, quindi qualcosa può nascere dal niente?

espertomini

Ho letto che l’Universo é in continua espansione e che la sua densità rimane costante. Se é vero dobbiamo pensare che qualcosa possa nascere dal niente? (Rino Fraboni) (2055)


sem_esperto_verdePer rispondere alla interessante domanda del nostro web-nauta è opportuno richiamare brevemente alcuni concetti fondamentali impliciti nella sua domanda.

In seguito alle osservazioni eseguite nel 1929 da Hubble icona_biografia e icona_esperto [19] grazie a un potente telescopio ottico, si è realizzato che le galassie sono dotate di un moto di reciproco allontanamento, da questo consegue che la materia accumulatasi intorno ai nuclei galattici a causa dell’allontanamento icona_approfondimento dei centri galattici determini una diminuzione della densità di materia misurata su volumi che includono molte galassie. Le osservazioni della velocità delle galassie su scale di distanza molto superiori alle dimensioni di una singola galassia, iniziate da Hubble ed ancora in atto, si basano sulla rivelazione di segnali elettromagnetici icona_glossario generati da stelle delle galassie e ricevute dai nostri strumenti. Le onde elettromagnetiche o fotoni sono emesse dalla materia a noi nota e della quale noi stessi siamo costituiti. Questo tipo di materia è chiamata materia barionica icona_glossario e le leggi di interazione della stessa sono ben studiate nei laboratori terrestri. Inoltre i fotoni nel loro viaggio dalla sorgente ai nostri rivelatori percorrono secondo la teoria della relatività icona_glossario generale il percorso più breve possibile cioè delle geodetiche icona_glossario. Le geodetiche nello spazio euclideo sono linee rette. Secondo le misure sul fondo cosmico di microonde icona_linkesterno il percorso dei fotoni definiti primordiali che raggiungono il nostro pianeta dalle distanze massime a noi accessibili, si muovono su traiettorie rettilinee quindi l’Universo si puo considerare su grandi distanze Euclideo icona_approfondimento.

La teoria della relatività generale afferma che l’Universo è euclideo se la densita media di energia è quella definita densità icona_glossario critica, il valore di questa densità è calcolabile. Se misuriamo al meglio delle nostre possibilità la densità di materia a noi nota nell’Universo ci accorgiamo che questa densità è assai inferiore alla densità critica. La materia barionica costituisce circa il 4% della densità critica. La misura della velocità delle stelle all’interno delle loro galassie ha mostrato che oltre alla materia barionica deve essere presente un’altra forma di materia che non contribuisce alla luminosità delle stelle (materia icona_approfondimento icona_esperto[188] oscura). Anche con l’introduzione della materia oscura il bilancio della densità non raggiunge il valore della densità critica necessaria per ottenere un Universo euclideo.

La somma della materia barionica e della materia oscura raffiunge circa il 30% della densità critica. Pochi anni orsono è stata realizzata una scoperta eccezionale. Contrariamente alle previsioni, l’Universo nel mezzo del cammino della sua vita (circa sette miliardi di anni) ha iniziato una fase accelerata di espansione. L’accelerazione dell’Universo non può essere prodotta dalla materia che tende a opporsi all’espansione quindi è stato introdotto un nuovo elemento a chiudere il bilancio della densità al valore della densità critica. Il nuovo elemento rappresenta una costituente repulsiva. Il nome che accompagna il nuovo composto che rappresenta il 70% della densità dell’Universo è Energia Oscura un nome che è tutto un programma. La materia a noi nota per esempio il gas contenuto in un palloncino è dotato di una pressione proporzionale alla densità di particelle del gas e anche alla loro energia di movimento o energia cinetica. L’Energia Oscura è dotata di pressione negativa e quindi sempre proporzionale alla densità, ma questa volta moltiplicata per meno uno.

Dopo queste premesse spero di avere gli elementi per rispondere alla sua domanda.

Immaginiamoci una scatola cubica di spigolo l e collochiamo otto galassie ai vertici del cubo. Se ogni spigolo l cresce, la densità di galassie cioè il numero di galassie diviso il volume del cubo diminuisce come il cubo di l, ma se la densità di energia oscura icona_glossario rimane costante l’energia contenuta nel cubo cresce.

Da dove proviene l’aumento di energia? Se la pressione è negativa il prodotto pressione per variazione di volume (che in Fisica equivale ad una energia) compensa la crescita di energia. Questa dovrebbe essere la risposta alla sua difficile domanda.

La densità di materia (sia barionica che oscura) decresce mentre l’Universo si espande mentre la densità di energia oscura rimane costante. La pressione negativa compensa l’aumento di energia. Il concetto di pressione negativa cioè opposta a quella del gas all’interno di un palloncino non è certamente intuitivo. Forse richiederebbe una voce a parte, ma sinteticamente proporrei che l’aumento di energia all’interno della scatola cubica in espansione avviene a spese dell’energia oscura contenuta nelle scatole contigue.

Guido Barbiellini – Fisico


 

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