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

blueshift

blueshift

redshift

redshift

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

150

150 m

ilioni

milioni

di Km

di Km

� ���� ���30 km/s

30 km/s

~ 220 km/s

~ 220 km/s

~ 450 km/s

~ 450 km/s

Record di

Record di velocita

velocita’ ’

per

per oggetti

oggettiestesi

estesi??

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)

Relativita

Relativita’ ’ speciale

speciale

c=300.000 km/s

c=300.000 km/s

spazio

spazio

10%

10%

87%

87%

99%

99%

99.9%

99.9%

tempo

tempo

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….

Posizione

Posizionevera

vera

Posizione

Posizioneapparente

apparente

Cosmologia

Cosmologia

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

anni

’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

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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

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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

E se

E se avessimo

avessimo

preso

preso

due

due galassie

galassie

piu

piu’ ’ distanti

distanti ?

?

““ Aperto

Aperto” o “

” o “ Chiuso

Chiuso”?”?

Candele

Candele

standard

standard

L=100 W

L=100 W

Brillante!

Debole!

vicino

lontano

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

Supernova 1987a

Supernova 1987a

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???

???

??

Grazie

Grazie dell’attenzione

dell’attenzione

e e

arrivederci…

arrivederci…

* 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::

0.0

40.0

4ρ ρρρρ ρρρcc

11oometodo

metodo

ρ ρρρρ ρρρ=

0.3

=0.3

ρ ρρρρ ρρρcc

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

Alan

Alan Guth

Guth

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

eo

ry o

f "

It f

ollo

wed

fro

m t

he s

pecia

l th

eo

ry o

f

rela

tivi

ty t

hat

mass

an

d e

nerg

y a

re b

oth

bu

t re

lati

vity

th

at

mass

an

d e

nerg

y a

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bu

t

dif

fere

nt

man

ifest

ati

on

s o

f th

e s

am

e t

hin

g

dif

fere

nt

man

ifest

ati

on

s o

f th

e s

am

e t

hin

g --

--a s

om

ewh

at

un

fam

ilia

r con

cep

tio

n f

or

the

a s

om

ewh

at

un

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ilia

r con

cep

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n f

or

the

ave

rag

e m

ind

. F

urt

herm

ore

, th

e e

qu

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on

E

ave

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e m

ind

. F

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herm

ore

, th

e e

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E

is e

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al to

m c

is e

qu

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-- sq

uare

d, in

wh

ich

en

erg

y i

s sq

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ich

en

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s

pu

t eq

ual to

mass

, m

ult

ipli

ed

by t

he

squ

are

p

ut

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ual to

mass

, m

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ipli

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he

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are

of

the v

elo

cit

y o

f li

gh

t, s

ho

wed

th

at

very

o

f th

e v

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cit

y o

f li

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t, s

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th

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small a

mo

un

ts o

f m

ass

may b

e c

on

vert

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sm

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f m

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on

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ed

into

a v

ery

larg

e a

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un

t o

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y a

nd

vic

e

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y a

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vic

e

vers

a. T

he m

ass

an

d e

nerg

y w

ere

in

fact

vers

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he m

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eq

uiv

ale

nt,

acco

rdin

g t

o t

he

form

ula

eq

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ale

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acco

rdin

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he

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men

tion

ed

ab

ove

. T

his

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dem

on

stra

ted

m

en

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ed

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. T

his

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dem

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stra

ted

by

by C

ock

cro

ftC

ock

cro

ftan

d W

alt

on

in

1932,

an

d W

alt

on

in

1932,

exp

eri

men

tall

y."

exp

eri

men

tall

y."

Fro

m t

he

sound

tra

ck o

f th

e fi

lm,

Ato

mic

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Energia

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totale

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emessa

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Giancarlo Ghirlanda

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GG

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Davide Lazzati

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Osservatorio di Brera

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Boulder USA

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redshift

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supernova di

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Keplero

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9 O

ttobre 1604

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Supernovae

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tempo

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