Fisica: cosmologia

"Fisica:

cosmologia"

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SIMONE MALACRIDA

In questo libro sono presentati gli aspetti principali della cosmologia quali:

il principio cosmologico, la legge di Hubble e la recessione delle galassie

la cosmologia newtoniana e relativistica

i problemi della piattezza e dell’orizzonte, i modelli di De Sitter e di Lemaitre

le teorie cosmologiche del Big Bang e dello stato stazionario

la termodinamica cosmologica e le ere cosmologiche

il ruolo della materia oscura

Simone Malacrida (1977)

Ingegnere e scrittore, si è occupato di ricerca, finanza, politiche energetiche e impianti industriali.

I libri pubblicati si possono trovare qui:

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INDICE ANALITICO

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INTRODUZIONE

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I - CONCETTI BASILARI

Principio cosmologico

Red shift

Legge di Hubble

Recessione delle galassie

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II - COSMOLOGIA NEWTONIANA

Introduzione

Modelli cosmologici newtoniani

Densità critica e densità effettiva

Evoluzione nel caso newtoniano

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III - COSMOLOGIA RELATIVISTICA

Introduzione

La curvatura dello spazio-tempo

Fattore di scala e metrica

Densità di materia-energia e pressione

Problema della piattezza

Problema dell orizzonte

Modelli di De Sitter e di Lemaitre

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IV - TEORIE COSMOLOGICHE

Teoria del Big Bang e dello stato stazionario

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V - ERE COSMOLOGICHE

Termodinamica cosmologica

Breve cenno su particelle ed interazioni fondamentali

Ere cosmologiche

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VI - MATERIA OSCURA E ORIGINE DELLE GALASSIE

Primi modelli

Materia oscura

INTRODUZIONE

La cosmologia è la scienza che si occupa dello studio della struttura, dell’origine e dell’evoluzione dell’Universo e, come tale, rappresenta uno dei punti più alti della conoscenza fisica attuale.

Difatti in essa convergono tutte le teorie precedenti, quali la meccanica, la termodinamica, la relatività generale, ma anche la fisica quantistica, quella nucleare e quella delle particelle.

Pertanto, una piena comprensione della cosmologia non può prescindere dalla consapevolezza dei rudimenti di tali settori della fisica.

Non di meno, in questo libro saranno presentati dei richiami alla fisica nucleare e delle particelle e alla relatività generale, almeno nei loro aspetti peculiari.

Per uno studio approfondito di tali settori, si rimanda invece ad altri scritti specialistici.

Scopo della cosmologia non è quello di studiare le soluzioni delle equazioni di Einstein per il campo gravitazionale, quanto applicare tali soluzioni su scala universale e trarre le conclusioni sulla struttura complessiva dello spazio-tempo.

In questo libro sono presentati i principali studi cosmologici che sono stati indagati sostanzialmente nel corso degli ultimi cento anni, con i fondamentali apporti della relatività generale e della fisica quantistica.

Le teorie cosmologiche scaturite dalla conciliazione di questi due settori a livello di struttura dell’Universo hanno permesso di fare una classificazione termodinamica e temporale dell’evoluzione dell’Universo, senza peraltro risolvere tutti i problemi a riguardo.

Il ruolo ancora misterioso della materia oscura, della sua entità e della sua composizione, resta una delle sfide più affascinanti della scienza contemporanea.

I

CONCETTI BASILARI

Principio cosmologico

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La cosmologia studia la struttura, l'origine e l'evoluzione dell'universo.

Il fondamento della cosmologia moderna è il cosiddetto principio cosmologico enunciato da Milne nel 1933.

Secondo tale principio l'universo deve essere fondamentalmente omogeneo (il suo aspetto non dipende dal punto di osservazione) ed isotropo (il suo aspetto è il medesimo in tutte le direzioni) su grande scala e soggetto ovunque alle stesse leggi fisiche, in modo tale che un qualsiasi osservatore, posto in un qualsiasi punto di esso, sia in grado di osservarne le medesime caratteristiche e di giungere ai medesimi risultati.

Si tratta, se vogliamo, di un'estensione del principio copernicano secondo il quale la terra non è un luogo privilegiato del nostro sistema solare.

Il principio cosmologico non è una legge dimostrabile, ma un'esigenza razionale del nostro intelletto, il quale non potrebbe fare oggetto di una conoscenza di tipo scientifico un universo non soggetto ovunque alle medesime leggi di natura.

Una diretta conseguenza del principio cosmologico è che l'universo, per rispettare le condizioni di omogeneità ed isotropia, deve essere statico o caratterizzato da un moto (espansione o contrazione) omogeneo.

I dati sperimentali raccolti nel secondo decennio del Ventesimo Secolo confermano tale previsione dimostrando che l'universo si trova in uno stato di espansione omogenea.

Il termine omogenea non si riferisce alla velocità di espansione (che in effetti, come vedremo, diminuisce con il tempo), ma al fatto che l'espansione interessa in modo uniforme l'intero universo (non vi è una porzione che si espande più velocemente di un'altra).

Red shift

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Quando osserviamo gli spettri provenienti da corpi in moto relativo rispetto a noi essi ci appaiono deformati.

In particolare le righe risultano spostate verso lunghezze d'onda maggiori se la sorgente luminosa possiede un moto relativo di allontanamento, mentre risultano spostate verso lunghezze d'onda minori se la sorgente è animata da un moto relativo di avvicinamento.

Poiché nello spettro visibile le lunghezze d'onda maggiori corrispondono al rosso, mentre le lunghezze d'onda minori corrispondono al blu, il fenomeno di dilatazione della lunghezza d'onda proveniente da un corpo in allontanamento è indicato come spostamento verso il rosso o red-shift, mentre il fenomeno di compressione della lunghezza d'onda proveniente da un corpo in avvicinamento è indicato come spostamento verso il blu o blu-shift.

Naturalmente ciò non significa che una radiazione che ha subito un red-shift o un blu-shift ci appaia effettivamente rossa o blu, significa solo che ci appare con una lunghezza d'onda rispettivamente maggiore o minore di quella che possedeva al momento di emissione.

L'intensità del fenomeno è tanto maggiore quanto maggiore è la velocità radiale di allontanamento o di avvicinamento.

Il fenomeno è analogo, come fece notare Doppler nel 1842 e come dimostrò sperimentalmente Fizeau nel 1848, a quello che si produce nelle onde acustiche.

E' noto infatti che una sorgente sonora in avvicinamento produce un suono più acuto, mentre in allontanamento produce un suono più grave (effetto Doppler).

Supponiamo ora che una sorgente luminosa