Il fascino oscuro dell'inflazione: Alla scoperta della storia dell'Universo (I blu) PDF
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Ma ne di scienza • Z Pietro Fré Il fascino oscuro dell’inflazione Alla scoperta della storia dell’Universo 123 PIETROFRÉ UniversitàdegliStudidiTorinoe Ambasciatad’ItaliaaMosca ISBN978-88-470-1153-3 e-ISBN978-88-470-1154-0 SpringerfapartediSpringerScience+BusinessMedia springer.com ©Springer-VerlagItalia,Milano2009 Quest’operaèprotettadallaleggesuldirittod’autore,elasuariproduzioneè ammessasoloedesclusivamenteneilimitistabilitidallastessa.Lefotocopieper usopersonalepossonoessereeffettuateneilimitidel15%diciascunvolume dietropagamentoallaSIAEdelcompensoprevisto.Leriproduzioniperusonon personalee/ooltreillimitedel15%potrannoavveniresoloaseguitodispeci- ficaautorizzazionerilasciatadaAIDRO,ViaCorsodiPortaRomanan.108, Milano 20122, e-mail [email protected] e sito web www.aidro.org. Tutti idiritti,inparticolare quellirelativiallatraduzione, allaristampa,all’utilizzo di illustrazioni etabelle, allacitazione orale, allatrasmissioneradiofonica o televisiva,allaregistrazionesumicrofilmoindatabase,oallariproduzionein qualsiasialtraforma(stampataoelettronica)rimangonoriservatianchenelca- sodiutilizzoparziale.Laviolazionedellenormecomportalesanzionipreviste dallalegge. Collanaideataecuratada:MarinaForlizzi Redazione:BarbaraAmorese Impaginazione:le-texpublishingservicesoHG,Leipzig Copertina:progettograficodiSimonaColombo,Milano Immaginedicopertina:courtesyofnasa.org Stampa:GrafichePorpora,Segrate,Milano StampatoinItalia Springer-VerlagItaliaS.r.l.,viaDecembrio28,I-20137Milano Quest’operettaèdedicata almioottimoamicoPieroBianucci Prefazione Èdallapiùremotaantichitàchel’uomosiinterrogasullastruttura dell’UniversoFisicoincuiviveesulleleggichegovernanoilsuo essere,ovveroilsuodivenire.Ilprogressosullastradaditalecom- prensionecompiutonelXXsecoloèstrabilianteenonhaparago- nerispettoaiprogressirealizzatiintuttiisecoliprecedenti.Con unpo’dipresunzionesipuòipotizzarecheprobabilmenteessori- marràstraordinarioancherispettoaiprogressirealizzatineisecoli successivi. Èsoltantodagliannitrail1920eil1930chesiconosconolerea- lidimensionidell’Universovisibileelasuacostanteespansione.La RelativitàGenerale,cheèlateoriadellagravità,indispensabileper inquadraretuttiifenomenicosmicieastrofisicisiaagrandescala cheapiccoledistanze,fuformulatadaEinsteinnel1915.Essa,pe- rò,nonsarebbenemmenoimmaginabilealdifuorideglistraor- dinariprogressidellamatematicaesoprattuttodellageometria, realizzatinelsecoloXIXefinoall’albadelXX,aoperadigiganti delpensieroumanocomeGauss,Riemann,Lobachevskij,Poinca- réegliitalianiRicciCurbastro,BianchieLeviCivita.Pergiungere aquesti,fuanchenecessariosuperarepregiudizifilosoficivecchi diduemilaannisullaevidenzaapriori dellageometria euclidea inclusidaKantneipresuppostidelpensierocritico. Lacosmologia,finoapochiannifaespressioneentusiasmante, masoprattuttospeculativadelpensierofisico,hafattounsaltodi qualitàestremamentesignificativotralafinedelXXel’iniziodel XXIsecolo.Unanuovariccaseriedidatiosservativihaaccreditato susolidabasesperimentaletredatidifattocheprima del1999 eranosoltantoscenariipotetici: 1. L’Universoèspazialmentepiattoedètaleaseguitodellainfla- zionecosmicache,infrazionidisecondodopoilBigBang,ne hagonfiatoledimensioniperunfattoredidecineocentinaia dimiliardidivolte. 2. Ilcontenutodell’Universoècostituitopercircail70%daener- giaoscura,percircail24%damateriaoscura,elamateriavisi- VIII bile,cioèlegalassieeiloroammassicontribuisconoanonpiù del6%deltotale. P re fa 3. Al tempo attuale l’espansione dell’Universo è in una fase di z io nuovaaccelerazione. n e Laspiegazioneditalestrutturaagrandissimascaladelnostrouni- versononèancorastabilita,maècertocheessarichiedela“nuova fisica”allepiccolissimedistanzecheLHC,ilpiùgrandeacceleratore diparticellemaicostruitodall’uomo,stapercominciareaesplo- rareproprionelloscorciofinalediquestoanno2008,alCERNdi Ginevra.Inparticolareleteoriesupersimmetriche,lasupergravità elesuperstringhepossonodarelarisposta. Inquestolibrol’autore,utilizzandounlinguaggioilpiùpossi- bilmenteelementareeaccessibileatutti,intenderipercorreresto- ricamentelagrandeavventuradelpensieroumanochedallavisio- nearistotelicadiununiversostatico,eternoeinrealtàpiccolissi- mo,cihaportatoall’attualeconsapevolezzadiunUniversodina- mico,enormementegrande,inespansioneaccelerataedominato dall’energiaoscura. Glienigmipostidallacosmologiasisaldanoconquellidellafi- sicadelleparticellealdilàdelmodellostandarddelleinterazioni fondamentaliepotrebberotrovaretuttilapropriacoerentespie- gazioneall’internodellateoriadellesuperstringhe. Lascienzaèunagrandeavventuraumanacostruitadauomini dotatidipersonalitàdiversissimeeappartenentianazioniecultu- rediverse.Loscopodell’autoreinquestolibercoloèstatosiaspie- gare,perquantociòsiapossibile,cheraccontare.Ladimensione umanadellascienzariveste infatti uninteressenotevoleeaiuta anchelacomprensionedell’evoluzionestoricadelleideescientifi- che.Perquestomotivoaneddotiericordipersonalisonostatiin- seritiinmoltipuntidell’esposizione,chesisperapossaacquistare laqualitàdiunanarrazione. Torino,dicembre2008 PietroFré Indice Prefazione VII 1 L’Universo,lagravitàelamateria 1 2 Checos’èlagravità? 3 3 L’Universoèunsistemadinamico 43 4 SuperstringheeBranedannolarisposta? 97 Lettureulteriori 143 1 L’Universo, la gravità e la materia Solorecentemente,apartire daglianni Venti delXX secolo,l’U- manitàhasvelatolanaturacomplessaedinamicadell’Universoin cuiviviamoedèsoltantoall’albadelXXIsecolochedatiosserva- tiviprecisicihannofornitoun’immagineattendibiledelcielopri- mordiale,consistentenelcosiddettoparadigmainflazionario.Che cosasiintendeconciò?Secondoquestoparadigmanelvolgere diqualchefrazionedisecondodopoilBigBangl’Universosisa- rebbeespansodiunfattore1026volte,chel’haresocosìgrande, omogeneo,isotropoespazialmentepiattocomeessociappare. Duedomandesorgonoimmediatamentespontaneeinrelazione atalescenario: 1. Qualèlarilevanzadiquestaimprovvisainflazionedellospazio- tempo? 2. Qualèlaforzarepulsivachehaavutolacapacitàdirealizzarla? Larispostaallaprimadomandaèchesoltantoquestostiramento subitaneopuòspiegareinmanieranaturalelecaratteristicheos- servatedelnostroUniversoche,senzailmeccanismoinflazionario capacediprodurle,sarebberodecisamenteinnaturalieimproba- bili. Larisposta allasecondadomandaèprobabilmentesorpren- denteper lamaggior parte dei lettori: la forzarepulsiva che ha gonfiatoesponenzialmentel’Universoènient’altrochelagravità. Come?Lagravitànonèpersuanaturasempreeinognicaso attrattiva?Lagravitànewtonianaindubbiamentesì,malaleggedi Newtonnonèl’ultimaparola.Essaèunadescrizioneaccuratadei fenomenigravitazionalifinoachelemasse,leenergieelevelocità ingiocononsianotroppoelevate.Lateoriadelcampogravitazio- nalechesuperatalilimitièlaRelativitàGeneralediEinstein,lacui 2 strutturaèenormementepiùcomplessaepuòcontemplaresitua- zionideltuttodifferenti.Apiccolascalal’attrazionegravitazionale Il fa predettadallateoriadiEinsteinèenormementepiùfortediquella s c previstadallaleggediNewtoneciòconduceallaformazionedei in o buchinerieallelorointrigantiproprietà. o s Agrandissima scala l’attrazionegravitazionale implicata dal- c u ro laRelativitàGeneraledipendedallaqualitàdelleformeenergeti- d checheriemponoilcosmoeperalcunediessel’attrazionepuò e ll’in addirittura cambiarsi in repulsione: è questoil caso dell’energia fl oscuraresponsabilesiaperl’inflazioneprimordialecheperl’attua- a z leespansioneacceleratadell’Universoincuiviviamo. io n Lastrutturadelcosmoelasuaevoluzionesonodominatedal- e lainterazionegravitazionaleedallasuacomplessadinamicache èdescrittadalleequazionidiEinstein.ComeEinsteinintuìeallafi- ne,dopodieciannididurissimolavorocritico,riuscìadimostrare inmanieradeltuttogenerale,ifenomenigravitazionalinonsono altrocheunospecchioattraversoilqualesirivelalageometriadel- lospazio-tempo,asuavolta,determinatadalcontenutodimassa eenergiadiquest’ultimo. Dunqueèsolonell’ambitodellaRelativitàGeneralediEinstein che la cosmologia moderna ha potuto comprendere la natura evolutiva dell’Universo fisico. D’altra parte cosmologia e fisica delle particelle sono intrinsecamente legate, poiché l’evoluzio- ne dell’Universo dipende dalla quantità e dalla struttura della materia-energiacheloriempie. Nel prossimo capitolo il cammino storico che terminò con l’identificazione operata da Einstein tra il campo gravitazionale elageometria dellospazio-tempoverràdelineatoneisuoisno- di essenziali. Lo scopo del prossimo capitolo è rispondere alla domanda:checos’èlagravità?
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