Sabato mattina, 30 Maggio, sono stato a Fossalto (a circa 25 km da Campobasso), il paese dove sono nato e cresciuto grazie all’aria fresca, al cibo buono e al calore umano dei miei compaesani, perché invitato dagli insegnanti della scuola e dal comune di Fossalto (che ringrazio di cuore!) ad incontrare i ragazzi delle elementari e medie per rispondere alle loro domande.
L’incontro si è svolto nella cornice del Teatro Alfieri di Fossalto e la partecipazione dei ragazzi è stata molto calorosa sia durante che dopo l’evento.
Anzi, in realtà devo fare un doppio plauso ai ragazzi non solo per il loro comportamento davvero interessato e coinvolto ma anche per le domande che mi hanno posto. Come dico sempre su questo blog, quando c’è la curiosità c’è tutto ciò che serve per cercare di comprendere la scienza.
Abbiamo parlato di quasi tutto. L’evento si è chiamato “Viaggio nell’universo” poiché abbiamo iniziato a chiederci e rispondere a domande sulla Terra fino poi a spingerci nell’universo lontano passando per il Sistema Solare e le galassie.
Abbiamo cercato di trovare le risposte a varie domande che i lettori assidui di Quantizzando conoscono benissimo di sicuro come, ad esempio, il perché delle stagioni, come funzionano le maree, quante galassie ci sono nell’universo, perché l’astrologia non è una scienza, perché diciamo che l’universo è descritto dalla teoria del Big Bang e molto altro!
Ecco alcune foto della meravigliosa mattinata (da notare la mia maglia a tema “lunare”!):
Alla fine i ragazzi sono sembrati molto entusiasti e hanno continuato a farmi ulteriori domande. Spero di essere riuscito a colmare almeno una goccia della loro sete di curiosità!
Per concludere i ragazzi e gli insegnanti hanno voluto fare una foto ricordo:
Personalmente io mi sono divertito parecchio a rispondere e a stuzzicare i ragazzi su vari argomenti di astrofisica (con qualche battuta qua e là per tenere sempre viva l’attenzione!), soprattutto cercando di sottolineare sempre e continuamente come tutti i risultati e le cose che conosciamo riguardo all’universo sono tutte derivate tramite l’utilizzo del metodo scientifico.
Questo è stato il messaggio che ho provato a comunicare più di altri: ovvero, la scienza non trova la verità scolpita nella pietra ma cerca di verificare le proprie teorie tramite l’analisi e lo studio di dati e di misure.
Concludo questo post con una piccolissima riflessione: la mole e la qualità delle domande dei ragazzi di Fossalto non è da considerarsi un fenomeno eccezionale. Sono certo che tutti i ragazzi sono curiosi di capire come funziona l’universo e tutti gli scienziati hanno il dovere morale di condividere le loro conoscenze e soprattutto cercare di “tradurle” in un linguaggio comodo per tutte le età.
Una delle più famose storie riguardo la teoria della Relatività è, senza alcun dubbio, quella dei gemelli. Dico subito che, a differenza di quello che si può trovare in rete, non mi riferirò mai alla storia dei gemelli come “paradosso”, per il semplice motivo che, come spero di raccontarvi in parole semplici (e anche brevemente), questa storia non è affatto un paradosso.
Comunque, prima di iniziare con la fisica, ecco due gemelli abbastanza simpatici che, sono sicuro, riconoscerete al volo:
Dunque, tornando a noi, che roba è questa storia dei gemelli? E cosa c’entra la Relatività?
Tutto inizia con due gemelli sul pianeta Terra, diciamo Tizia e Caio. La storia poi prosegue con Tizia che si mette in testa di fare un bel viaggio nella Galassia e la sua proposta viene accolta con calore da tutti, specialmente i parenti, così orgogliosi di avere un’astronauta che potrà scoprire nuovi mondi ed esplorare l’universo a nome di tutta l’umanità. Per questo Tizia decide che la sua prima tappa sarà Proxima Centauri, a 4 anni luce di distanza circa dalla Terra.
Ciò vuol dire che viaggiando alla velocità della luce ci vogliono 4 anni per andare fino a lì. In realtà, lei sa benissimo che andrà un po’ più lenta della luce e ci metterà qualche anno in più. La luce viaggia a 300 mila km al secondo. Supponiamo che l’astronave di Tizia vada a 240 mila km al secondo; in tal caso, da Terra, vedremo l’astronave di Tizia fare un viaggio della durata di 5 anni.
Però si fanno insistenti voci che vogliono minare il legame indissolubile dei nostri gemelli Tizia e Caio. Per esempio qualcuno osa dire (in pubblico!) che, viaggiando a tali velocità, al suo ritorno, Tizia sarà più giovane di Caio!
Infatti, la teoria della Relatività Ristretta ci dice, senza entrare nei dettagli, che l’orologio di un osservatore in movimento è sempre in ritardo rispetto all’orologio di un osservatore fermo; inoltre questi effetti sono tanto più apprezzabili quanto si viaggia circa alla velocità della luce. Quindi quel qualcuno in sostanza afferma che, siccome è chiaramente Tizia che si muove mentre Caio aspetta fermo a Terra, allora Tizia tornerà più giovane.
A quel punto qualcun altro si alza tra il pubblico e dice che però il discorso si potrebbe fare anche al contrario. Ovvero, dal punto di vista di Tizia, chiaramente sono Caio e tutta la Terra che si allontanano mentre lei è bella ferma sull’astronave. Quindi sarà Caio ad essere più giovane quando si incontreranno di nuovo!
Ora, tralasciando l’invecchiamento dovuto allo stress della missione spaziale e/o dell’attesa a Terra (oltre a quello procurato dai ragionamenti di questo post!) cerchiamo di chiarire questa situazione prima che le persone se le diano di santa ragione tra il pubblico.
Innanzitutto, perché avviene questa storia degli orologi in ritardo? Beh, è la teoria della Relatività Ristretta, la quale si basa su due principi inossidabili: primo, tutti gli osservatori che si muovono tra loro con velocità costanti sono uguali, nel senso che osservano la fisica funzionare alla stessa maniera; secondo, inoltre misurano la velocità della luce sempre essere 300 mila km/s indipendentemente dalla loro velocità di movimento.
Cioè, tornando ai gemelli, sia Tizia sull’astronave che Caio a Terra misurano la luce muoversi alla stessa velocità. Ora, siccome la velocità è, per definizione, il rapporto tra spazio percorso e tempo impiegato, è chiaro che, per ottenere lo stesso valore per la velocità della luce, i concetti di spazio e di tempo per ognuno dei due gemelli devono essere diversi.
E quindi, in particolare, chi è in movimento vede il tempo scorrere più lentamente, cioè avrà l’orologio in ritardo.
Ottimo, perfetto, meraviglioso, tutto molto bello. Ma quindi cosa accade quando Tizia e Caio si incontrano di nuovo? Chi avrà i capelli bianchi e le rughe?
Per ciò che abbiamo detto finora, sembra proprio che ci troviamo di fronte ad un paradosso (argh!!!)… ma invece non è così, e ora cercherò di farvi capire perché, in maniera molto semplice.
Per come abbiamo raccontato la storia finora, abbiamo Caio nel suo bel sistema di riferimento sulla Terra e Tizia l’esploratrice nel suo sistema di riferimento nello spazio. Fin qui tutto perfetto.
Però, poi, accade inevitabilmente qualcosa che nel nostro racconto abbiamo trascurato. Infatti quando Tizia raggiunge Proxima Centauri dovrà per forza di cose rallentare e, praticamente, fare una retromarcia spaziale (bisognerà mettere degli specchietti sull’astronave per fare manovra, mi sa!), per far tornare a puntare l’astronave in direzione Terra.
Voi direte, e vabbè, grazie…
Già, ma sopra abbiamo detto che la Relatività Ristretta vale per osservatori che si muovono con velocità costanti tra loro. Dunque è abbastanza ovvio che, nel momento in cui Tizia rallenta e fa retromarcia, questa condizione viene a mancare. E quindi? (Sgomento tra il pubblico…)
Tranquilli, abbiamo la soluzione: la Relatività Generale (ah, ecco a cosa serve! No dai, serve anche ad altro…).
La Relatività Generale (sempre sviluppata da Albert Einstein) estende la teoria Ristretta. E quindi non solo gli osservatori che si muovono a velocità costante, ma anche quelli che si muovono accelerando o decelerando sono equivalenti. E, ancora, chi si muove vede il tempo scorrere più lentamente.
Perciò sembra quasi che il problema che Tizia inverta il senso di marcia, in realtà, non sia un problema: tanto c’è la Relatività Generale!
Vero, ma il punto è che ciò che fa Tizia in questa parte del viaggio non gode di nessuna analogia con ciò che fa Caio sulla Terra.
Praticamente è come se Tizia cambiasse sistema di riferimento quando torna indietro. Infatti lei prima viaggia a 240 mila km/s e, in prossimità di Proxima Centauri poi rallenta; successivamente, dopo che ha invertito la rotta, Tizia dovrà accelerare fino ad arrivare a 240 mila km/s e poi mantenere quella velocità fino all’arrivo a casa. Come dire, c’è un cambio di corsia, un’inversione sull’autostrada spaziale!
Quando Tizia dunque inverte la rotta, affronta una fase del viaggio che non può essere pensata come simmetrica rispetto all’esperienza di Caio. Perciò, una volta tornata sulla Terra, Tizia sarà più giovane di Caio perché il suo orologio sarà in ritardo rispetto a quello del fratello sulla Terra proprio a causa quella fase di inversione di marcia. E Caio non potrà che essere d’accordo con questa versione dei fatti poiché egli non avrà effettuato nessuna esperienza simile mentre aspettava il ritorno della sorella.
Un’ultimo appunto: in teoria avremmo potuto anche fare a meno di ricorrere alla Relatività Generale e provare a spiegare tutto nell’ambito della Relatività Ristretta. Però avremmo dovuto assumere un cambio di direzione istantaneo dell’astronave, il quale non è fisicamente possibile. Quindi ho preferito raccontare la storia con tutti i giusti protagonisti (anche se senza equazioni, come sempre).
Ecco, i gemelli relativistici non hanno più la stessa età dunque.
Per la cronaca, nella situazione di Tizia e Caio avremo le seguenti conseguenze: Caio sarà invecchiato di 10 anni (ovvero la durata del viaggio di Tizia) mentre sua sorella sarà invecchiata solo di 6 anni con il beneplacito della Relatività Generale. Come consolazione, mi sento di dire a Caio che sicuramente sulla Terra avrà mangiato meglio di Tizia nello spazio!
Comunque, lasciando Tizia e Caio alle loro questioni, ci tengo a rassicurare tutti i gemelli che già vedono se stessi nel ruolo del nostro Caio: tranquilli, per il momento di astronavi che viaggiano a quattro quinti la velocità della luce non se ne vedono neanche l’ombra (potrei suggerirvi di cominciare a fare jogging qualora voleste sorprendere il vostro gemello, però dovete andare veloci…).
Dunque, altro che paradosso! Certo, magari per qualcuno potrà sembrare bizzarro ma, ripeto: questo è come funziona l’universo.
Prima o poi, ad un certo punto bisognerà farsene una ragione del fatto che l’universo segue le leggi della fisica e non quelle dell’uomo.
Citando e parafrasando un famoso film: È la Fisica bellezza, la Fisica. E tu non ci puoi far niente!
Vista la speciale ricorrenza non potevo esimermi, da buon aspirante astrofisico, dal riassumere brevemente e condensare in unico post un sacco di roba che abbiamo già affrontato in questo blog (ma che fa sempre bene ripassare). Credo di aver inserito (quasi) tutto. Premetto che, come leggerete, il titolo non si riferisce ai 50 anni della teoria stessa, quanto piuttosto al fatto che 50 anni fa la teoria del Big Bang ha ricevuto una conferma bella importante (e spero di non aver mandato in confusione nessuno con ciò). Bene, iniziamo.
Proprio 50 anni fa, giorno più giorno meno, questo articolo scientifico venne pubblicato, in cui si riportava la misura di una certa radiazione elettromagnetica nelle microonde, uguale in tutte le direzioni, con una temperatura bassissima (3 Kelvin e rotti, cioè circa -270 gradi Celsius). Gli autori erano gli americani Arno Penzias e Robert Wilson avevano appena captato la prima luce dell’universo. All’inizio pensarono fossero escrementi di piccioni sulla loro antenna. Come vedete gli astrofisici sono abbastanza prudenti ma, in quel caso, niente piccioni: il segnale era reale e per questo i due vinsero il Premio Nobel nel 1978.
Wilson (a sinistra) e Penzias (a destra).
Correva, dunque, l’anno 1965. Insomma, cos’è quella luce trovata da Penzias e Wilson? Oggi lo sanno praticamente tutti (e ciò mi fa enormemente piacere): si tratta della prova che l’universo si possa descrivere con la teoria del Big Bang (e no, non dite in giro che si tratta di un’esplosione, per favore!), come vedremo meglio tra pochissimo.
Ma facciamo un passo indietro e ricominciamo da capo per capire meglio la situazione. Nel 1915 Albert Einstein se ne esce, alla grande, con la Teoria della Relatività Generale: spazio e tempo non sono entità separate, la gravità è descritta come interazione tra proprietà geometriche dello spazio-tempo e densità della “roba” che c’è nell’universo.
Qualche anno dopo arriva Aleksandr Fridman che applica la Relatività all’intera evoluzione dell’universo e inizia a parlare di espansione dell’universo. Poi sul finire degli anni venti ci si mette anche l’astronomo americano Edwin Hubble che osserva proprio questa espansione dell’universo tramite il fatto che le galassie più sono lontane e più si allontanano velocemente.
E quindi? Quindi vennero fuori due principali idee. Una asseriva che l’universo, nonostante l’espansione è sempre uguale nello spazio e nel tempo. Cioè niente inizio e niente fine. Questa teoria si chiamava teoria dello stato stazionario e fu sviluppata da Fred Hoyle, Hermann Bondi e Thomas Gold nel 1948. Il fatto che l’universo fosse lo stesso ovunque lo si guardasse era dovuto ad una continua creazione di materia ad un tasso davvero molto basso. Insomma, ci stava questa teoria, anche perché assumeva che l’universo non avesse nulla di particolare in nessuna direzione o istante temporale.
L’alternativa si chiamava Big Bang. Ovvero un universo che ha avuto un inizio e che è omogeneo e isotropo. Inoltre all’inizio l’universo doveva essere caldissimo per poi raffreddarsi durante l’espansione. Tale idea era stata proposta, vedi un po’ tu, da un prete cattolico, Georges Lemaitre nel 1927. Attenzione, però. La teoria del Big Bang non riguarda propriamente l’istante iniziale dell’universo. In maniera più corretta, la teoria del Big Bang descrive che la densità dell’universo decresce con l’espansione.
Tra l’altro, il nome Big Bang fu pensato proprio da Hoyle, in senso piuttosto spregiativo in quanto oppositore di quella teoria.
Per sottolineare bene le differenze tra le due teorie, ecco un bel disegnino:
Big Bang: la densità delle galassie decresce con l’universo che si espande.
Stato Stazionario: la densità delle galassie rimane più o meno la stessa con l’universo che si espande (lo spazio viene riempito da nuove galassie).
E poi arriva lei, la radiazione di fondo a microonde trovata da Penzias e Wilson. E cosa accade? Distrugge tutti i sogni di Hoyle e compagni e la teoria del Big Bang prende il sopravvento e viene accettata come quella teoria che meglio descrive l’universo con le nuove osservazioni trovate dai due scienziati americani. Cioè, la radiazione di fondo a microonde, con il suo essere praticamente omogenea in ogni direzione, era un tassello che non riusciva ad entrare perfettamente a fagiolo nel puzzle della teoria dello Stato Stazionario.
E quindi, Big Bang sia. Finisce qua la storia? Ma neanche per sogno, il bello deve ancora venire!
Infatti la teoria del Big Bang prevede proprio l’esistenza della radiazione di fondo e pure con quella temperatura (bassa proprio a causa dell’espansione dell’universo; oggi è stata misurata per bene e sappiamo che è di 2.73 Kelvin). Infatti, all’epoca della radiazione di fondo l’universo era un piccolo scricciolo, con i suoi appena 380 mila anni!
No, non sono impazzito (beh…ancora no!), adesso vi spiego.
Oggi l’universo ha la veneranda età di 13.7 miliardi anni. Se prendiamo come riferimento la vita di una persona che arriva a 100 anni (auguri!) allora possiamo pensare che la radiazione di fondo sia qualcosa che è accaduto alla fine del primo giorno di vita della nostra amica centenaria.
Va bene, ma cos’è questa radiazione di fondo, questa luce che osserviamo tuttora?
In sostanza, si tratta della prima luce che ha potuto vagare libera e felice nell’universo sin dal suo inizio e arrivare poi sino a noi che l’abbiamo rivelata.
Una delle cose davvero strabilianti della radiazione di fondo non è solo la conferma della teoria del Big Bang. Nei primi anni ’90 il satellite americano COBE misurò due importanti fatti: la radiazione di fondo è una radiazione di corpo nero (come previsto dal Big Bang) e la radiazione di fondo ha delle piccolissime fluttuazioni nella sua temperatura (di circa una parte su centomila); queste fluttuazioni sono quelle che hanno permesso a tutti noi di essere qui ora perché da esse si sono formate le galassie e tutte le strutture che popolano l’universo.
Tutti questi risultati sono stati poi confermati anche da successivi esperimenti e, proprio ultimamente, dal satellite europeo Planck.
Concludo in bellezza questo post con un meraviglioso grafico (che ho già postato in giro un miliardo di volte, tra l’altro), eccolo qua:
In questo grafico, i puntini rossi sono le osservazioni della radiazione di fondo fatte da Planck e la linea verde è ciò che prevede la teoria del Big Bang. Tralasciando l’effettivo significato della quantità osservata (che potete comunque leggere qui, se vi va), ciò che bisogna sottolineare è la straordinaria precisione con cui il modello standard del Big Bang riesce a riprodurre i dati osservati.
Davvero notevole, non c’è dubbio.
Certo, ci sono alcuni parametri da inserire nel modello, tipo quanta materia c’è nell’universo e altre cose simili. Si tratta comunque di una teoria, quella del Big Bang, che con un manipolo di parametri riesce a dare un senso a ciò che osserviamo. Nella scienza, lo sapete bene, non si può mai dire che una teoria è giusta.
Eppure, osservando i successi della teoria del Big Bang, dovremmo tutti riflettere su come, proprio la scienza, pur essendo fatta solo da esseri umani, sia riuscita ad ottenere dei risultati davvero importanti. E la cosa più bella è che non abbiamo la più pallida idea di quello che scopriremo domani. Fantastico.
