<<…>>

1. LA SECONDA DOMANDA DI LEIBNIZ
E IL BIG BANG
di Ugo Amaldi
Sintesi di Rosa Maria Mistretta

2. • 1.a domanda di Leibniz (1646 -1716):
<< Perché esiste qualcosa anziché il nulla?>>
• 2.a domanda di Leibniz:
<<… supposto che delle cose debbano esistere, bisogna
poter spiegare perché esse debbano esistere così e
non altrimenti. >>
• domanda che secondo gli scienziati si traduce in:
<< Come, evolvendo per 14 miliardi di anni, l’Universo
ha dato origine alla varietà e alla diversità dei sistemi
che oggi lo compongono? >>

4. • Il punto di partenza per spiegare l’eterogeneità
dell’Universo è 400.000 anni dopo il Big Bang
• I fisici teorici stanno lavorando ad una Teoria del
Tutto (TOE), che mira ad integrare i costituenti
fondamentali della materia e i quattro tipi di forza
con cui interagiscono (forte, elettrica, debole,
gravitazionale) in un quadro coerente…
… ma non basta

5. LE RADICI DELL’ETEROGENEITA’ DEI SISTEMI FISICI E BIOLOGICI
SONO DA RICERCARSI IN:
1. LE ROTTURE DI SIMMETRIA
2. L’EVOLUZIONE CAOTICA DEI SISTEMI DINAMICI NON LINEARI
3. LA RICCHEZZA COMBINATORIA DEGLI ELEMENTI CHIMICI
4. LA SELEZIONE NATURALE DELLE MUTAZIONI
5. LA SIMBIOSI E LA COOPERAZIONE TRA ESSERI VIVENTI

6. 1. ROTTURE DI SIMMETRIA
IL CONCATENARSI DI 5 ROTTURE DI SIMMETRIA HA DATO ORIGINE
ALL’UNIVERSO DEI 400.000 ANNI, piccolo e ordinato:
1. Simmetria di traslazione
2. Simmetria particella-antiparticella
3. Simmetria delle 4 forze fondamentali: divergenza della forza
gravitazionale
4. Simmetria delle 4 forze fondamentali: divergenza della forza forte
da quella elettrodebole
5. Simmetria delle 4 forze fondamentali: divergenza della forza
debole da quella elettrica
OGNI ROTTURA DI SIMMETRIA PRODUCE DIVERSITA’ E QUINDI PUO’
ESSERE CONSIDERATA ‘CREATIVA’

7. Un masso sferico in equilibrio sul crinale di un
monte è in posizione simmetrica rispetto alle
valli che sono alla sua destra e alla sua sinistra.
Una piccola perturbazione può farlo scivolare da
una parte o dall’altra, rompendo l’iniziale
simmetria.

8. 2. L’EVOLUZIONE CAOTICA DEI SISTEMI DINAMICI NON LINEARI
• SISTEMI DINAMICI HANNO EVOLUZIONI CHE
DIVERGONO ESPONENZIALMENTE CON IL
TEMPO QUANDO SI CAMBIANO, ANCHE DI
POCHISSIMO, LE CONDIZIONI INIZIALI.
• L’AZIONE DEI COMPONENTI DEI SISTEMI E’
DESCRIVIBILE MATEMATICAMENTE DA
EQUAZIONI DETERMINISTICHE NON LINEARI

9. 3. LA RICCHEZZA COMBINATORIA DEGLI ELEMENTI CHIMICI
• MOLTI MILIARDI DOPO IL BIG BANG
L’ATTRAZIONE GRAVITAZIONALE ESALTO’ LE
FLUTTUAZIONI DI DENSITA’ NEI GAS
IDROGENO E ELIO FORMANDO UNA RETE DI
FILAMENTI:
PROTOGALASSIE => PRIME STELLE => GALASSIE

10. A sinistra, la fusione di nuclei leggeri in nuclei più pesanti
all’interno di una stella: due nuclei di elio si fondono a formare
un nucleo di berillio, che a sua volta si fonde con un altro nucleo
di elio e dà origine a un nucleo di carbonio.
A destra, la struttura a strati di una stella, una volta che siano
accadute tutte le possibili reazioni nucleari di fusione e sia
praticamente esaurito il combustibile nucleare.

11. Quando l’energia liberata nei fenomeni di fusione comincia a
calare, per mancanza di combustibile nucleare, la stella si
raffredda e l’attrazione gravitazionale, non più contrastata
dall’agitazione termica, causa un rapidissimo collasso.
Per raggiungere questo stadio una stella grande tre volte il Sole
impiega circa dieci miliardi di anni, ma le prime stelle erano
molto più massicce e collassarono gravitazionalmente dopo
appena qualche centinaio di milioni di anni.
Le esplosioni di queste supernovae dispersero nello spazio
interstellare gli elementi presenti nelle stelle, dall’idrogeno al
ferro, e nella stessa esplosione si produssero enormi flussi di
neutroni che, catturati dai nuclei di questi elementi leggeri,
diedero luogo, dopo una complicata catena di decadimenti, a
tutti gli altri elementi dal ferro fino all’uranio, il cui nucleo
contiene 92 protoni, che costituiscono il Sistema Solare e la
Terra.

12. ABBONDANZE COSMICHE DEGLI ELEMENTI CHIMICI

13. IL DIAGRAMMA DI HERTZSPRUNG-RUSSEL (1911) indica la
relazione tra tipi spettrali e magnitudine stellare

14. 4. LA SELEZIONE NATURALE DELLE MUTAZIONI
5. LA SIMBIOSI E LA COOPERAZIONE TRA ESSERI VIVENTI
• “Dall’evoluzione prebiotica alla sintesi delle
clorofille” di Rosa Maria Mistretta
http://www.biosferanoosfera.it/it/articoli

15. BREVE STORIA DELL’UNIVERSO
• Prima del Tempo di Plank:
1. il plasma opaco di particelle cariche, ad altissima
temperatura, si espandeva raffreddandosi (nel
giorno universale dura 2 secondi e mezzo)
• Dopo i 400.000 anni si ebbe un cambiamento
profondo e definitivo:
1. occorsero ben 1013 secondi, 400.000 anni, perché
gli elettroni si legassero a formare atomi di idrogeno
ed elio, con minuscole percentuali di deuterio
(0.01% in massa) e litio (0,000 000 01%)
2. la Temperatura scese al di sotto dei 3.000 gradi ( un
milionesimo di MeV) con formazione di atomi di H
(75%)e He (25%) neutri: volume era 1.000 volte più
piccolo dell’attuale e diametro = 1019 km.

16. La distribuzione di temperature della radiazione cosmica di
fondo nella volta celeste:
le zone più scure corrispondono a una temperatura di circa 0,05
gradi inferiore a 3000 gradi, mentre alle zone
più chiare è associata una temperatura di circa 0,05 gradi
superiore.

17. Le diverse epoche evolutive dell’Universo a partire dal Big Bang
e i rispettivi stati di aggregazione della materia, fino allo
sviluppo delle galassie e, infine, della vita cosciente.

18. L’immagine riassume gli eventi principali che hanno fatto sì
che il mondo sia come oggi ci appare.
Il tempo di Planck, che vale 10–43 secondi, è il tempo
minimo per il quale ha senso cercare di costruire una Teoria
del Tutto.
Prima di esso, le quattro forze avevano tutte la stessa
intensità e i loro mediatori, che hanno masse molto più
piccole delle energie in gioco nelle collisioni, si
comportavano tutti nello stesso modo.
L’Universo era simmetrico e aveva dimensioni non molto
più piccole di quelle delle ipotetiche stringhe.
La scena cosmica è stata dominata da due fenomeni:
– l’inflazione cosmica;
– l’espansione cosmica.

19. Durante l’ inflazione cosmica il diametro è cresciuto di
almeno 1040 volte e tutte le disomogeneità prima
presenti sono state appianate, come accade a un
palloncino di gomma vuoto, e quindi raggrinzito, che
viene improvvisamente gonfiato.
Dopo l’inflazione, il plasma cosmico, alla temperatura di
circa 1017 MeV, aveva ovunque la stessa composizione e
densità, perturbato soltanto da quelle piccolissime
fluttuazioni che, 400.000 anni dopo, sono diventati i
semi delle galassie.
L’epoca di espansione cosmica, continua e lenta, è
cominciata dopo l’inflazione ed è ancora in atto; anzi,
negli ultimi 2-3 miliardi di anni essa ha subìto
un’accelerazione.

20. Rappresentazione dell’allontanamento delle galassie
mediante la metafora del palloncino.
Quando il palloncino-universo viene gonfiato, i
coriandoli che vi sono attaccati si allontanano tra
loro: man mano che il suo volume aumenta, cresce
anche la distanza tra i coriandoli-galassie.

21. •Al tempo di Planck(10–43
secondi)l’Universo aveva
un diametro più piccolo
di quello di un protone
diviso per l’enorme
fattore 1020 e si trovava a
una temperatura di 1022
MeV, pari a 1032 gradi.
•Al tempo dell’inflazione
l’intensità della forza
forte aumentò e quella
della forza elettrodebole
diminuì: è la seconda
rottura di simmetria,
indicata come «rottura
forte».
Dopo circa 10–34 secondi
l’inflazione terminò e
l’Universo, con diametro
di un centimetro, iniziò
ad espandersi molto più
lentamente.

22. I primi istanti di vita del cosmo e la successione delle
rotture di simmetria che hanno portato alla
differenziazione delle quattro forze fondamentali.

23. Dopo circa 10–12 sec le
superparticelle (e le loro
antiparticelle) cessarono di
essere ricreate per mancanza
di energia nelle collisioni. Le
particelle supersimmetriche,
instabili, decaddero
rapidamente in particelle che
non possono ulteriormente
decadere per mancanza di
energia. Restarono soltanto
superparticelle neutre stabili, i
«neutralini» e, secondo il
modello Supersimmetrico,
sono ancora oggi presenti
nell’Universo. La loro ricerca è
uno degli obiettivi della
sperimentazione all’LHC.

24. • Quando la temperatura scese sotto
i 106 MeV, la simmetria si ruppe, e le
masse delle particelle non furono più
trascurabili rispetto all’energia di
agitazione termica e particelle e
antiparticelle cessarono di muoversi
alla velocità della luce.
Da allora la diversità delle masse
domina i comportamenti di tutte le
particelle.
• Quando il tempo universale passò i
10–10 secondi, tutti i bosoni
intermedi scomparvero perché,
decaduti in particelle più leggere,
non potevano più essere ricreati
nelle collisioni per mancanza di
energia. Dopo 10–10 secondi il
plasma cosmico era quindi composto
di elettroni, di quark leggeri e
pesanti, delle loro antiparticelle, di
gluoni e di fotoni

25. •Ogni volta che una particella
collideva con una sua antiparticella,
la massa scompariva: era l’epoca
della grande annichilazione, nel
corso della quale l’energia di massa
delle particelle-materia si trasformò
in energia trasportata dai fotoni.
•Come è accaduto che l’antimateria
scomparisse, lasciando un Universo
solo di materia? La spiegazione è
quella proposta nel 1967 dal fisico
russo A. Sakharov: all’epoca della
grande annichilazione, nel plasma
cosmico vi erano 1.000.000.001
protoni ogni 1.000.000.000
antiprotoni, di modo che un solo
protone sopravvisse mentre un
miliardo di protoni si annichilavano
con un miliardo di antiprotoni.

26. Andamento della temperatura dell’Universo nei suoi primi
400. 000 anni di vita e i diversi stati di aggregazione della
materia che corrispondono alle diverse temperature.
(Plasma di particelle prossime alla velocità della luce/protoni, nuclei ed elettroni)

27. Andamento della temperatura dell’Universo durante il suo primo
secondo di vita e i diversi stati di aggregazione della materia che
corrispondono alle diverse temperature.
Sono indicate anche le epoche del cosmo esplorate dai diversi
acceleratori realizzati al CERN, fino all’attuale LHC, entrato in
funzione nel 2010.

28. Le quattro forze (o interazioni) fondamentali con cui
interagiscono in natura i costituenti della materia.

29. La forza «forte» tiene legati i quark a formare i protoni e i
neutroni e appiccica i protoni ai neutroni in quel corpo
compatto che chiamiamo «nucleo atomico».
La forza «elettrica» lega gli elettroni negativi ai nuclei positivi
ed è anche la causa dell’emissione, da parte di un atomo, di
un pacchetto di energia elettromagnetico, di solito indicato
con il simbolo γ (gamma). Si tratta di un «fotone» di luce che
trasporta una piccola energia, qualche milionesimo di MeV.
La forza «debole» causa, nel fenomeno della radioattività , il
decadimento di un quark in un quark più leggero, in un
elettrone e in un neutrino.
La forza «gravitazionale» tra due particelle-materia è
talmente debole da non avere alcun effetto. Ma quando si
tratta di corpi che sono fatti da un numero enorme di atomi (il
Sole e la Terra, ad esempio) gli effetti si sommano e la forza
globale è tanto grande da tenere insieme il sistema solare e le
stelle a formare una galassia.

30. Due elettroni che si avvicinano l’uno all’altro interagiscono
attraverso la forza elettrica cambiando direzione di moto.
Questa interazione è interpretata, in meccanica quantistica,
come lo scambio di una particella-forza tra i due elettroni che
funge da mediatrice, emessa da un elettrone e riassorbita
dall’altro.
Nel caso della forza elettrica, la particella-forza mediatrice è il
fotone .

31. La tabella indica le caratteristiche delle forze.
Con il termine “accoppiamento”, grandezza
indicata con il simbolo α (alfa), si misura sostanzialmente la
probabilità
che la particella-materia emetta una particella-forza.

32. •I quark sono tenuti insieme dalla forza forte, che è
dovuta allo scambio di «gluoni»
•La forza gravitazionale è mediata dallo scambio di
particelle-forza di massa nulla, i «gravitoni», e il suo
accoppiamento è piccolissimo
•la forza debole ha lo stesso accoppiamento della forza
elettrica (α = 0,01) e ciò indica che devono essere
strettamente connesse, ma i suoi tre mediatori hanno
masse enormi, a differenza del fotone che ha massa nulla.
Questa stranezza dice che la forza debole è poco intensa
non perché l’accoppiamento sia piccolo, ma perché la sua
azione si estende su piccole distanze, quali sono le
dimensioni di un protone, invece che fino all’infinito,
come accade per la forza elettrica.

33. • Da cosa nasce questa asimmetria?
L’ipotesi alla base è che tutto l’Universo sia
attraversato da un’entità diffusa e impalpabile detta
campo scalare oppure, dal nome di uno dei fautori
del modello, campo di Higgs.
Questo campo è presente nello stesso modo
ovunque, sia dove la materia è più densa sia negli
spazi bui che separano le galassie. Esso deve
esistere sin dal tempo del Big Bang.
La teoria è affascinante ma non c’è stata conferma
sperimentale, perché la ricerca è ancora in pieno
svolgimento.
Gli esperti ritengono che la risposta si avrà entro il
2012.

34. I costituenti fondamentali della materia e le particelle
subatomiche o compongono gli atomi oppure sono
prodotte nei decadimenti dei loro nuclei.

35. La materia ordinaria che interviene in tutti i
fenomeni terrestri e celesti è fatta soltanto di
quattro tipi di particelle-materia fondamentali:
il quark u, il quark d, l’elettrone negativo e– e un
elettrone neutro e0, che è chiamato «neutrino».
Gli atomi sono fatti di u, d, e–.
Nel fenomeno della radioattività, un neutrino è
emesso insieme a un elettrone nel decadimento
di un quark in un quark più leggero.

36. La teoria delle stringhe, non ancora sperimentalmente
confermata, descrive i costituenti fondamentali della
materia come piccolissime corde vibranti: i diversi modi
di vibrazione delle cordicelle danno origine ai differenti
tipi di particelle (quark, elettroni).

37. Nella «teoria delle corde quantistiche», detta «teoria
delle stringhe» (Green 2000), le particelle vanno pensate
come infinitesimi anellini che possono vibrare in modi
diversi, così come una corda di violino può emettere note
distinte. Ogni modo di oscillazione appare come una
particella differente: in un caso un elettrone, in un altro
un quark.
Le dimensioni delle stringhe sono le più piccole permesse
dal necessario mescolamento della meccanica quantistica
con la gravitazione einsteniana: 10–33 cm.
Date le loro ridottissime dimensioni, non fa meraviglia
che quando le stringhe sono rapportate alle dimensioni di
un protone, che è un miliardo di miliardi di volte più
grande, esse appaiano puntiformi.

38. Per ognuna di queste particelle esiste un’altra
particella, che è detta la sua «superparticella».
Tutte le particelle soddisfano una simmetria così
elegante da meritare il nome di «SuperSimmetria»
(susy).
Le particelle supersimmetriche, se esistono, devono
avere masse maggiori di 100.000 MeV, tanto grandi
che le energie liberate nelle collisioni del LEP,
predecessore di LHC al CERN, non erano sufficienti
a produrle.
Ma l’energia dell’LHC è dieci volte maggiore e molti
fisici sono convinti che almeno una di queste
particelle sarà scoperta al CERN in qualche anno.

39. Will the LHC find supersymmetry?
http://physicsworld.com/cws/article/news/45182

40. Gli anelli dei diversi acceleratori realizzati al CERN a
partire dagli anni Cinquanta.
Oggi LHC occupa la galleria sotterranea che una volta
ospitava il LEP e gli anelli più piccoli funzionano da stadi
di accelerazione preliminari prima di immettere le
particelle nell’anello più grande.

41. La tabella seguente riassume la progressione in energia, cioè in temperatura, degli acceleratori
entrati in funzione negli ultimi cinquant’anni e mostra come, con questi
strumenti sempre più grandi e potenti, i fisici siano riusciti a ricostruire i fenomeni
che avvenivano nel plasma cosmico sempre più indietro nel tempo, fino alla
frontiera dell’LHC: un milionesimo di milionesimo di secondo (10–12 secondi).

42. CMS, uno dei quattro rivelatori posizionati sull’anello di
LHC.
È al centro dei quattro rivelatori che le particelle,
accelerate le une contro le altre in versi opposti lungo
l’anello, vengono fatte collidere: in questo modo
vengono osservati i prodotti delle collisioni realizzate ad
altissime energie.

43. SUPERSIMMETRIA