Post on 18-Feb-2019
transcript
L’Universo
L’Universoveloce
veloce:
:
tra
trarelativita
relativita’ e
’ e nuova
nuovafisica
fisica
Gabriele Ghisellini
Gabriele Ghisellini
INAF
INAF --
Osservatorio di Brera
Osservatorio di Brera
La nostra idea del
La nostra idea del cosm
ocosm
odal
dal1900 ad
1900 ad oggi
oggi
Christian Doppler
Christian Doppler
1803
1803--1853
1853
1842: “
1842: “ Effetto
EffettoDoppler”
Doppler”
Christian Doppler
Christian Doppler
1803
1803--1853
1853
1842: “
1842: “ Effetto
EffettoDoppler”
Doppler”
Christian Doppler
Christian Doppler
1803
1803--1853
1853
1842: “
1842: “ Effetto
EffettoDoppler”
Doppler”
Christian Doppler
Christian Doppler
1803
1803--1853
1853
1842: “
1842: “ Effetto
EffettoDoppler”
Doppler”
Christian Doppler
Christian Doppler
1803
1803--1853
1853
1842: “
1842: “ Effetto
EffettoDoppler”
Doppler”
Christophorus
Christophorus
Henricus
Henricus
Diedericus
DiedericusBuys
Buys --Ballot
Ballot
1817
1817--1890
1890
Prova
Provadell’effetto
dell’effettoDoppler:
Doppler:
trom
bettieri
trom
bettieri
susuuna
unacarrozza
carrozza
scoperta
scopertadel
del treno
treno
Utrecht
Utrecht --
Amsterdam
Amsterdam
Arm
and
Arm
and H
ippolyte
Hippolyte
Louis
Louis
Fizeau
Fizeau1819
1819--1896
1896
Dimostra
Dimostral’effetto
l’effettoDoppler
Doppler
per la
per la luce
luce
Alla
Allafine del 1900
fine del 1900 sisiaveva
aveva
uno
unostrumento
strumento
di
di grandissima
grandissimaprecisione
precisioneper
per misurare
misurare
le
le
velocita
velocita’’
A
A proposito
propositodi
di velocita
velocita’: a
’: a quanto
quantoandiamo
andiamo
noi
noi ?.... e
?.... e rispetto
rispettoa chi?
a chi?
Circonferenza
Circonferenza
all’equatore
all’equatore: :
40.000 km
40.000 km
� ���� ���0.5 km/s
0.5 km/s
3C 279
~35
~35 anni
anni
luce
luce
in 6
in 6
anni
anni
?!?
?!?
v >0.99 c,
v >0.99 c, piccoli
piccoliangoli
angolidi vista
di vista
((ililgetto
gettoci cipunta
puntaaddosso
addosso…)…)
Velocita
Velocita’ ’ vicine
vicine
a c…
a c…� ���� ���
Relativita
Relativita’’
Einstein a 16
Einstein a 16 anni
anni(( nel
nel1895)
1895) sisichiede
chiede: :
ma se
ma se ioioandassi
andassiveloce
veloce
come un
come un raggio
raggio
di
di
luce
luce
cosa
cosa
vedrei
vedrei ? un campo
? un campo m
agnetico
magnetico
ed
ed
elettrico
elettrico
oscillanti
oscillantima
ma stazionari
stazionari????
1905:
1905: Annus
Annus
mirabilis di
mirabilis di
Einstein
Einstein
��17 M
ar.
17 M
ar. Effetto
Effettofotoelettrico
fotoelettrico
(Nobel
(Nobel nel
nel1921)
1921)
��30 Apr.
30 Apr. Dimensioni
Dimensioni
molecole
molecole
(( tesi
tesi
di
di dottorato
dottorato))
��11
11 M
ag
Mag. . Moto
MotoBrowniano
Browniano
(1)
(1)
��30
30 Giu
Giu.
. Relativita
Relativita’ ’ speciale
speciale
��27 Set. E=mc
27 Set. E=mc22
��19
19 Dic
Dic.
. M
oto
MotoBrowniano
Browniano
(2)
(2)
Einstein
Einstein
1879
1879--1955.
1955.
1916:
1916:Relativita
Relativita’’Generale
Generale
Lo Lo spazio
spazioe’ e’ curvo
curvo
Lo Lo spazio
spazioe’ e’
influenzato
influenzato
dalla
dalla
materia
materia
The happiest thought of my life….
The happiest thought of my life….
1918
1918Shapley
Shapley
misura
misurala
la
nostra
nostra
Galassia
Galassia,
,
la Via
la Via Lattea
Lattea..
Noi
Noi
abitiamo
abitiamo
in
in periferia
periferia
……1920
1920Si
Sicrede
credeancora
ancorache
chele “
le “nebulose
nebulose” a
” a
spirale
spirale
facciano
facciano
parte
partedella
dellanostra
nostra galassia
galassia
Dibattito
DibattitoShapley
Shapley--Curtis
Curtis
1923
1923Hubble
Hubble
misura
misurala
la distanza
distanzadella
della
““ nebulosa
nebulosa” di Andromeda: 2
” di Andromeda: 2 m
ilioni
milioni
di
di anni
anniluce
luce
e e dimostra
dimostrache
cheesistono
esistonoaltre
altre
galassie
galassie
oltre
oltrela
la
nostra
nostra
1929
1929 H
ubble
Hubble
continua a
continua a m
isurare
misurare
distanze
distanzedi
di
altre
altre
galassie
galassie, , usando
usandoililpiu
piu’ ’ grande
grandetelescopio
telescopio
di
di quei
queitempi.
tempi. Fa
Fauna
unascoperta
scopertaal tempo
al tempo stesso
stesso
semplice
semplicee e rivoluzionaria
rivoluzionaria..
La
La lunghezza
lunghezzad’onda
d’ondadel
del
fotone
fotone
sisiallunga
allunga
in
in m
odo
modo
proporzionale
proporzionale
all’espansione
all’espansione: :
REDSHIFT
REDSHIFT==spostamento
spostamento
verso
verso ililrosso
rosso
1929
1929: : Hubble
Hubble
scopre
scopre
che
chepiu
piu’ le
’ le galassie
galassie
sono
sono
distanti
distantida
danoi
noie e piupiu’ ’ sisiallontanano
allontanano
velocemente
velocemente
da
danoi
noi
Legge
Leggedi Hubble:
di Hubble:
v = H
v = H
00dd
Dove la
Dove la costante
costanteHo vale circa
Ho vale circa
HH0
0 = 70 km/
= 70 km/s/Megaparsec
s/Megaparsec
1Megaparsec = 1Mpc = 3
1Megaparsec = 1Mpc = 3 m
ilioni
milioni
di
di anni
anniluce
luce
= 30
= 30 m
iliardi
miliardidi
di miliardi
miliardidi km
di km
= 3x10
= 3x1019
19kmkm
(Andromeda
(Andromeda dista
dista
0.8
0.8 M
pcMpc
da
danoi
noi ))
L’Universo
L’Universoha
ha avuto
avuto
un
un inizio
inizio??
��La
La com
unita
comunita’ ’ scientifica
scientificanon era
non era pronta
pronta, , negli
neglianni
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’20, ad
’20, ad accettare
accettare
l’espansione
l’espansione..
��Le
Le equazioni
equazionidi
di Einstein
Einstein
(1915)
(1915)la
la richiedono
richiedono, ma
, ma
lui
lui“le
“le forza
forza” in
” in m
odo
modoche
chel’U
niverso
l’Universopossa
possaessere
essere
stazionario
stazionario. . Einstein’s bigger blunder….
Einstein’s bigger blunder….
��Einstein
Einstein stesso
stessoritarda
ritardala
la pubblicazione
pubblicazionedi un
di un
lavoro
lavoro
di
di A. Friedman
A. Friedman(1922)
(1922)che
chela
la prevede
prevede. .
Nessuno
Nessuno, , all’inizio
all’inizio, , prende
prendesul
sulserio
seriole
le
conseguenze
conseguenzedella
della
legge
leggedi Hubble.
di Hubble.
��……
��…
… 1948
1948
Big Bang??
Big Bang??
Gamow
Gamow
(1948):
(1948):
prima
prima versione
versione
del Big Bang
del Big Bang
Se
Se nel
nelpassato
passato
l’Universo
l’Universoera
era piupiu’
’
piccolo,
piccolo, doveva
doveva
essere
essere
anche
anchepiu
piu’
’
denso
densoe e caldo
caldo…
… condizioni
condizioni
favorevoli
favorevoli
alla
allafusione
fusioneterm
onucleare
term
onucleare
(non
(non sisisapeva
sapeva
che
chegli
glielementi
elementipesanti
pesantisisifanno
fanno
nelle
nellestelle
stelle).
).
Gamow
Gamow
prevede
prevedeche
cheoggi
oggi
cicisia
siaun
un residuo
residuo
di
di
quella
quellafase
fase
calda
calda, , iniziale
iniziale, , dell’Universo
dell’Universo: la
: la
radiazione
radiazionecosm
ica
cosm
icadi
di fondo
fondo
1948
1948: : ::Teoria
Teoria
dello
dello
stato
stato
stazionario
stazionario, non
, non
sisiprevede
prevedenessun
nessun
inizio
inizio
(( nonostante
nonostantel’espansione
l’espansione)…)…
Principio
PrincipioCosmologico
Cosmologico: : tutti
tuttigli
gliosservatori
osservatori, in
, in qualsiasi
qualsiasi
posto
posto
dell’Universo
dell’Universo, , vedono
vedonole
le stesse
stesseproprieta
proprieta’ ’ medie
medie
Principio
PrincipioCosmologico
CosmologicoPerfetto
Perfetto: : tutti
tuttigli
gliosservatori
osservatori, in
, in qualsiasi
qualsiasi
luogo
luogodell’Universo
dell’Universoe ad
e ad ogni
ogni
tempo
tempo, , vedono
vedonole
le stesse
stesseproprieta
proprieta’ ’
medie
medie
La
La teoria
teoria
dello
dellostato
stato
stazionario
stazionarionon
nonprevede
prevede::
Alcuna
Alcunafase
fase
calda
caldae e densa
densa
Alcuna
Alcunanucleosintesi
nucleosintesi
degli
deglielementi
elementi
Alcuna
Alcunaradiazione
radiazionedi
di fondo
fondo
Hoyle Gold
Hoyle Gold Bondi
Bondi
La
La prova
provadecisiva
decisiva
1965
1965: : Penzias
Penziase W
ilson
e W
ilsonprovano
provano
una
una
nuova
nuovaantenna,
antenna, nella
nella
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bandaradio.
radio.
Scoprono
Scopronoun “
un “rumore
rumoredi
di fondo
fondo” ” indi
indi --
pendente
pendentedalla
dallaradiazione
radiazionedi
di osser
osser --
vazione
vazione. Era
. Era ililfondo
fondocosm
ico
cosm
icodi
di
radiazione
radiazionea 3
a 3 gradi
gradiKelvin.
Kelvin.
E’
E’ quello
quelloche
che
rimane
rimane
della
della
fase
fase
calda
caldadel
del
primo
primo universo
universo
Eta
Eta’ ’ dell’Universo
dell’Universo
Se due
Se due m
acchine
macchinesono
sono
separate
separate da
da100 km, e
100 km, e stanno
stanno
viaggiando
viaggiandoognuna
ognuna
a 50 km/h in
a 50 km/h in direzioni
direzioniopposte
opposte, , quanto
quanto
tempo
tempo fafa
erano
erano
a a contatto
contatto??
Per
Per l’U
niverso
l’Universoe’ lo
e’ lo stesso
stesso. . Prendiamo
Prendiamodue
due galassie
galassie
distanti
distanti
100
100 M
pcMpc. . Qual
Quale’ la
e’ la loro
loro
velocita
velocita’ ’ relativa
relativa?. ?. Quanto
Quanto
tempo
tempo fafa
erano
erano
a a contatto
contatto??
v = H
v = H
00dd
Alla
Alladistanza
distanzadi 100
di 100 M
pcMpc
, la
, la velocita
velocita’ ’ relativa
relativa
delle
delle
due
due galassie
galassie
e’ 7
000 km/s. La
e’ 7
000 km/s. La distanza
distanzain km e’
in km e’
3x10
3x10
21
21 , , quindi
quindit=3x10
t=3x10
21
21 /7000/(sec in un
/7000/(sec in un anno
anno
) ~14
) ~14
miliardi
miliardidi
di anni
anni
Eta
Eta’ ’ dell’Universo
dell’Universo~ 14
~ 14 m
iliardi
miliardidi
di anni
anni
Se
Se esistessero
esistessero
delle
dellesorgenti
sorgentitutte
tuttedella
dellastessa
stessa
luminosita
luminosita’ (
’ ( nota
nota) ) potrei
potreistimare
stimare
la
la loro
loro
distanza
distanzadal
dalflusso
flusso
che
chericevo
ricevo..
Ma
Ma m
entre
mentre
la
la luce
luce
viaggia
viaggia
(a
(a
300000 km/s) lo
300000 km/s) lo spazio
spaziosisi
espande
espande!!
Supernovae
Supernovae
Nebulosa
Nebulosadel
del
Granchio
Granchio, , resto
resto
di Supernova
di Supernova
1000
1000 anni
annidopo
dopo
lo
lo scoppio
scoppio
L’Universo
L’Universosta
staaccelerando!!!
accelerando!!!
Saul
Saul Perlmutter
Perlmutter
Distanze
Distanzegrandi
grandi …
… troppo
troppo
grandi
grandi
Energia
Energia
Oscura
Oscura….
….
��L’universo
L’universosta
staaccelerand
oaccelerand
o
��Perche
Perche’?
’? Si
Sipe
nsa
pensach
ech
eesista
esistaun
un
tipo
tipo
nuovo
nuovodi
di energia
energia, , ch
ech
ech
iamiamo
chiamiamoenergia
energia
oscura
oscura…
…
��Veramente
Veramentebizzarra
bizzarra: : mentre
mentre
l’Universo
l’Universosisiespande
espande, , questa
questa
energia
energia
mantiene
mantiene
costante
costante
la
la suasua
densita
densita’: ’: ililtotale
totale
quindi
quindiaumenta
aumenta
come
come ililvolume.
volume.
��Quanta
Quanta cece
n’e
n’e’ ’ adesso
adesso???
???
* I
* I misteri
misteridel tem
podel tem
poPaul Davies
Paul Davies
*
* Questo
Questobizzarro
bizzarroUniverso
Universo
Dennis
Dennis Sciama
Sciama
* E=mc
* E=mc22
David
David Bodanis
Bodanis
* In search of the big bang
* In search of the big bang
John
John Gribbin
Gribbin
* The extravagant Universe
* The extravagant Universe
Robert
Robert Kirshner
Kirshner
* The accelerating Universe
* The accelerating Universe
Mario
Mario Livio
Livio
* The inflationary Universe
* The inflationary Universe
Alan
Alan Guth
Guth
**
** Nelle
Nelle
pieghe
pieghedel tem
podel tem
poGeorge Smoot
George Smoot
** Il
** Il m
istero
mistero
della
della
massa
massa
mancante
mancantenell’universo
nell’universo
Lawrence Krauss
Lawrence Krauss
** Le
** Le origini
originidell’U
niverso
dell’U
niverso
John Barrow
John Barrow
** I signori del tem
po** I signori del tem
poJohn
John Boslough
Boslough
**
** Cosmologia
Cosmologia
moderna
moderna
Dennis
Dennis Sciama
Sciama
** The stuff of the Universe
** The stuff of the Universe
J.Gribbin
J.Gribbin
&
& M
.Rees
M.Rees
***
*** L’Universo
L’Universoelegante
elegante
Brian Greene
Brian Greene
*** The structure of the Universe
*** The structure of the Universe
Jayant
Jayant
Narlikar
Narlikar
Difficolta Difficolta’’Libri
Libri
divulgativi
divulgativi::
Einstein
Einstein
1879
1879--1955.
1955.
1905:
1905:Relativita
Relativita’ ’ Speciale
Speciale
c=300.000 km/s max
c=300.000 km/s max velocita
velocita’ ’
ililtempo non e’
tempo non e’ assoluto
assoluto
lo
lo spazio
spazionon e’
non e’ assoluto
assoluto
E=mc
E=mc2
2
Principio
Principioantropico
antropico
��Noi
Noi
esistiamo
esistiamoperche
perche’ le
’ le costanti
costantifisiche
fisichehanno
hanno
determ
inati
determ
inati
valori
valori, e non
, e non altri
altri. . Esempio
Esempio: : costante
costante
di
di gravitazione
gravitazioneGG(F=
(F=GGMm/R
Mm/R
22))
��Se
Se GG
fosse
fosse piupiu’ ’ grande
grande: : Espansione
Espansione
Universo
Universo
frenata
frenata, , difficolta
difficolta’ a
’ a formare
form
are
stelle
stelle
��Se
Se GG
fosse
fosse piupiu’ ’ piccola
piccola: : Espansione
Espansione
piu
piu’ ’ veloce
veloce. .
Difficolta
Difficolta’ ad
’ ad aggregare
aggregare
materia
materiaper
per form
are
form
are
stelle
stellee e galassie
galassie
��Perche
Perche’
’ G
G = 6.7x10
= 6.7x10--11 N
m2/kg2?
11 N
m2/kg2?
��c
c = 300.000 km/s?
= 300.000 km/s?
��α αααα αααff= 1/137 ?
= 1/137 ?
"It
fo
llo
wed
fro
m t
he s
pecia
l th
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ry o
f "
It f
ollo
wed
fro
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mass
an
d e
nerg
y a
re b
oth
bu
t re
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vity
th
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mass
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y a
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bu
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dif
fere
nt
man
ifest
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on
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g
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--a s
om
ewh
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un
fam
ilia
r con
cep
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or
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ilia
r con
cep
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n f
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vic
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a v
ery
larg
e a
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y a
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vic
e
vers
a. T
he m
ass
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fact
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a. T
he m
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y w
ere
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g t
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tion
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was
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by
by C
ock
cro
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cro
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on
in
1932,
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1932,
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Miliardi
Miliardidi
di anni
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I GRB sono
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sorgentipiu
piu` ` distanti
distantiche
che
conosciamo
conosciamo
��La
La loro
loro
energia
energia
e`
e` quindi
quindienorm
eenorm
e: 10
: 1053
53erg:
erg:
Com
e 100 Supernovae
Com
e ilSole per 3000 miliardidi anni
Com
e tutta
la nostra Galassia
per 100 anni
E tutto
cio` in pochisecondi….
GRB:
GRB: candele
candele
standard?
standard?
��All’apparenza
All’apparenzaNO! Bursts
NO! Bursts diversi
diversihanno
hanno
luminosita
luminosita’ ’ molto
molto
diverse!
diverse!
��Pero
Pero’ i
’ i meno
meno
luminosi
luminosiappaiono
appaiono
piu
piu’ ’
rossi
rossi , , mentre
mentre
i i piu
piu’ ’ luminosi
luminosiappaiono
appaiono
piu
piu’ ’ blu
blu….
….
��Dal
Dalcolore
colore
quindi
quindisisipuo
puo’ ’ risalire
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allaalla
loro
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luminosita
luminosita’… E’ come se
’… E’ come se dal
dalcolore
colore
di
di una
unalampadina
lampadinasapessimo
sapessimoquanti
quanti
watt
watt emette
emette….
….
Giancarlo Ghirlanda
Giancarlo Ghirlanda
GG
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Davide Lazzati
Davide Lazzati
Osservatorio di Brera
Osservatorio di Brera --
Boulder USA
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