Universo

La parola Universo deriva dal francese antico Univers, che deriva dalla parola latina universum. La parola latina era usata da Cicerone e dagli autori latini successivi in molti degli stessi sensi in cui è usata la parola inglese moderna.

Una diversa interpretazione (modo di interpretare) di unvorsum è "tutto ruotato come uno" o "tutto ruotato di uno". Questo si riferisce ad un primo modello greco dell'universo. In quel modello, tutta la materia era in sfere rotanti centrate sulla Terra; secondo Aristotele, la rotazione della sfera più esterna era responsabile del movimento e del cambiamento di ogni cosa all'interno. Era naturale per i greci assumere che la Terra fosse stazionaria e che i cieli ruotassero intorno alla Terra, perché per dimostrare il contrario sono necessarie accurate misurazioni astronomiche e fisiche (come il pendolo di Foucault).

Il termine più comune per "Universo" tra gli antichi filosofi greci da Pitagora in poi era το παν (Il Tutto), definito come tutta la materia (το ολον) e tutto lo spazio (το κενον).

Significato più ampio

Il significato più ampio di Universo si trova nel De divisione naturae del filosofo medievale Johannes Scotus Eriugena, che lo definisce semplicemente come tutto: tutto ciò che esiste e tutto ciò che non esiste.

Il tempo non è considerato nella definizione di Eriugena; così, la sua definizione include tutto ciò che esiste, è esistito ed esisterà, così come tutto ciò che non esiste, non è mai esistito e non esisterà mai. Questa definizione onnicomprensiva non è stata adottata dalla maggior parte dei filosofi successivi, ma qualcosa di simile si trova nella fisica quantistica.

Definizione come realtà

Di solito si pensa che l'Universo sia tutto ciò che esiste, è esistito ed esisterà. Questa definizione dice che l'Universo è fatto di due elementi: lo spazio e il tempo, conosciuti insieme come spazio-tempo o il vuoto; e la materia e le diverse forme di energia e quantità di moto che occupano lo spazio-tempo. I due tipi di elementi si comportano secondo leggi fisiche, in cui si descrive come gli elementi interagiscono.

Una definizione simile del termine Universo è tutto ciò che esiste in un singolo momento del tempo, come il presente o l'inizio del tempo, come nella frase "L'Universo era di dimensione 0".

Nel libro di Aristotele La Fisica, Aristotele divise το παν (tutto) in tre elementi approssimativamente analoghi: la materia (il materiale di cui è fatto l'Universo), la forma (la disposizione di quella materia nello spazio) e il cambiamento (come la materia viene creata, distrutta o alterata nelle sue proprietà, e analogamente, come la forma viene alterata). Le leggi fisiche erano le regole che governano le proprietà della materia, la forma e i loro cambiamenti. Più tardi filosofi come Lucrezio, Averroè, Avicenna e Baruch Spinoza alterarono o raffinarono queste divisioni. Per esempio, Averroè e Spinoza hanno principi attivi che governano l'universo e che agiscono su elementi passivi.

Definizioni spazio-temporali

È possibile formare spazi-tempo, ognuno esistente ma non in grado di toccare, muoversi o cambiare (interagire tra loro). Un modo semplice per pensare a questo è un gruppo di bolle di sapone separate, in cui le persone che vivono su una bolla di sapone non possono interagire con quelle su altre bolle di sapone. Secondo una terminologia comune, ogni "bolla di sapone" dello spazio-tempo è indicata come un universo, mentre il nostro particolare spazio-tempo è indicato come l'Universo, proprio come noi chiamiamo la nostra luna la Luna. L'intera collezione di questi spazi-tempo separati è indicata come il multiverso. In linea di principio, gli altri universi non collegati possono avere diverse dimensionalità e topologie di spazio-tempo, diverse forme di materia ed energia, e diverse leggi fisiche e costanti fisiche, sebbene tali possibilità siano speculazioni.

Realtà osservabile

Secondo una definizione ancora più restrittiva, l'Universo è tutto ciò che, all'interno del nostro spazio-tempo collegato, potrebbe avere la possibilità di interagire con noi e viceversa.

Secondo l'idea generale della relatività, alcune regioni dello spazio potrebbero non interagire mai con la nostra anche durante la vita dell'Universo, a causa della velocità finita della luce e della continua espansione dello spazio. Per esempio, i messaggi radio inviati dalla Terra potrebbero non raggiungere mai alcune regioni dello spazio, anche se l'Universo esistesse per sempre; lo spazio potrebbe espandersi più velocemente di quanto la luce possa attraversarlo.

Vale la pena sottolineare che quelle regioni lontane dello spazio sono considerate esistere e far parte della realtà tanto quanto noi; tuttavia non possiamo mai interagire con loro, nemmeno in linea di principio. La regione spaziale all'interno della quale possiamo influenzare ed essere influenzati è indicata come l'universo osservabile.

In senso stretto, l'universo osservabile dipende dalla posizione dell'osservatore. Viaggiando, un osservatore può entrare in contatto con una regione di spazio-tempo più grande di un osservatore che rimane fermo, per cui l'universo osservabile per il primo è più grande che per il secondo. Tuttavia, anche il viaggiatore più rapido potrebbe non essere in grado di interagire con tutto lo spazio. In genere, per "universo osservabile" si intende l'universo visto dal nostro punto di osservazione nella Galassia della Via Lattea.

L'Universo è enorme e probabilmente infinito in volume. La materia che si può vedere è distribuita su uno spazio di almeno 93 miliardi di anni luce. Per fare un confronto, il diametro di una tipica galassia è di soli 30.000 anni luce, e la distanza tipica tra due galassie vicine è di soli 3 milioni di anni luce. Per esempio, la nostra galassia della Via Lattea ha un diametro di circa 100.000 anni luce e la nostra galassia sorella più vicina, la galassia di Andromeda, si trova a circa 2,5 milioni di anni luce. L'Universo osservabile contiene più di 2 trilioni (¹⁰¹²) di galassie e, complessivamente, ben 1×1024 stelle (più stelle di tutti i granelli di sabbia del pianeta Terra).

Le galassie tipiche vanno dalle galassie nane, con un minimo di dieci milioni (¹⁰⁷) di stelle, fino alle giganti con un trilione (¹⁰¹²) di stelle, tutte in orbita attorno al centro di massa della galassia. Quindi, una stima molto approssimativa da questi numeri suggerirebbe che ci sono circa un sestilione (1021) di stelle nell'universo osservabile; anche se uno studio del 2003 degli astronomi dell'Australian National University ha portato a una cifra di 70 sestilioni (7 x 1022).

La materia che si può vedere è diffusa in tutto l'universo, quando si fa la media su distanze superiori a 300 milioni di anni luce. Tuttavia, su scale di lunghezza inferiore, si osserva che la materia forma "ciuffi", molti atomi si condensano in stelle, la maggior parte delle stelle in galassie, la maggior parte delle galassie in gruppi e ammassi di galassie e, infine, le strutture su scala più grande come la Grande Muraglia delle galassie.

L'attuale densità complessiva dell'Universo è molto bassa, circa 9,9 × 10-30 grammi per centimetro cubo. Questa massa-energia sembra essere composta dal 73% di energia oscura, dal 23% di materia oscura fredda e dal 4% di materia ordinaria. La densità degli atomi è di circa un singolo atomo di idrogeno per ogni quattro metri cubi di volume. Le proprietà dell'energia oscura e della materia oscura non sono note. La materia oscura rallenta l'espansione dell'Universo. L'energia oscura rende la sua espansione più veloce.

L'Universo è vecchio, e sta cambiando. La migliore ipotesi sull'età dell'Universo è di 13,798±0,037 miliardi di anni, basata su ciò che è stato visto della radiazione cosmica di fondo a microonde. Stime indipendenti (basate su misure come la datazione radioattiva) concordano, anche se sono meno precise, variando da 11-20 miliardi di anni. a 13-15 miliardi di anni.

L'universo non è stato lo stesso in tutti i momenti della sua storia. Questo ingrandirsi spiega come le persone legate alla Terra possano vedere la luce di una galassia distante 30 miliardi di anni luce, anche se questa luce ha viaggiato solo per 13 miliardi di anni; lo spazio stesso tra di loro si è espanso. Questa espansione è coerente con l'osservazione che la luce proveniente da galassie lontane è stata spostata verso il rosso; i fotoni emessi sono stati allungati a lunghezze d'onda più lunghe e frequenze più basse durante il loro viaggio. Il tasso di questa espansione spaziale sta accelerando, sulla base di studi di supernovae di tipo Ia e altri dati.

Le quantità relative dei diversi elementi chimici - specialmente gli atomi più leggeri come l'idrogeno, il deuterio e l'elio - sembrano essere identiche in tutto l'universo e in tutta la sua storia che conosciamo. L'universo sembra avere molta più materia che antimateria. L'universo sembra non avere carica elettrica netta. La gravità è l'interazione dominante alle distanze cosmologiche. L'universo sembra anche non avere momento netto o momento angolare. L'assenza di carica netta e di quantità di moto è prevista se l'universo è finito.

L'Universo sembra avere un continuum spazio-temporale liscio fatto di tre dimensioni spaziali e una dimensione temporale. In media, lo spazio è quasi piatto (vicino alla curvatura zero), il che significa che la geometria euclidea è sperimentalmente vera con alta precisione nella maggior parte dell'universo. Tuttavia, l'universo può avere più dimensioni e il suo spazio-tempo può avere una topologia globale multiplamente connessa.

L'Universo ha le stesse leggi fisiche e costanti fisiche in tutto l'universo. Secondo il prevalente Modello Standard della fisica, tutta la materia è composta da tre generazioni di leptoni e quark, entrambi fermioni. Queste particelle elementari interagiscono attraverso al massimo tre interazioni fondamentali: l'interazione elettrodebole che comprende l'elettromagnetismo e la forza nucleare debole; la forza nucleare forte descritta dalla cromodinamica quantistica; e la gravità, che attualmente è meglio descritta dalla relatività generale.

La relatività speciale vale in tutto l'universo nello spazio e nel tempo locale. Altrimenti, vale la relatività generale. Non c'è spiegazione per i valori particolari che le costanti fisiche sembrano avere in tutto il nostro universo, come la costante di Planck h o la costante gravitazionale G. Sono state identificate diverse leggi di conservazione, come la conservazione della carica, la conservazione della quantità di moto, la conservazione del momento angolare e la conservazione dell'energia.

Teoria della relatività generale

Previsioni accurate del passato e del futuro dell'universo richiedono una teoria accurata della gravitazione. La migliore teoria disponibile è la teoria della relatività generale di Albert Einstein, che ha superato tutti i test sperimentali finora. Tuttavia, poiché non sono stati condotti esperimenti rigorosi su scale di lunghezza cosmologica, la relatività generale potrebbe plausibilmente essere imprecisa. Tuttavia, le sue previsioni sembrano essere coerenti con le osservazioni, quindi non c'è motivo di adottare un'altra teoria.

La relatività generale prevede un insieme di dieci equazioni differenziali parziali non lineari per la metrica dello spaziotempo (equazioni di campo di Einstein) che devono essere risolte a partire dalla distribuzione di massa-energia e momento in tutto l'universo. Poiché questi sono sconosciuti in dettaglio esatto, i modelli cosmologici sono stati basati sul principio cosmologico, che afferma che l'universo è omogeneo e isotropo. In effetti, questo principio afferma che gli effetti gravitazionali delle varie galassie che compongono l'universo sono equivalenti a quelli di una polvere sottile distribuita uniformemente in tutto l'universo con la stessa densità media. L'assunzione di una polvere uniforme rende facile risolvere le equazioni di campo di Einstein e prevedere il passato e il futuro dell'universo su scale temporali cosmologiche.

Le equazioni di campo di Einstein includono una costante cosmologica (Lamda: Λ), che è legata alla densità di energia dello spazio vuoto. A seconda del suo segno, la costante cosmologica può rallentare (Λ negativo) o accelerare (Λ positivo) l'espansione dell'universo. Anche se molti scienziati, incluso Einstein, avevano ipotizzato che Λ fosse zero, recenti osservazioni astronomiche di supernovae di tipo Ia hanno rilevato una grande quantità di energia oscura che sta accelerando l'espansione dell'universo. Studi preliminari suggeriscono che questa energia oscura è legata a un Λ positivo, anche se non si possono ancora escludere teorie alternative.

Modello Big Bang

Il modello prevalente del Big Bang spiega molte delle osservazioni sperimentali descritte sopra, come la correlazione tra distanza e redshift delle galassie, il rapporto universale tra atomi di idrogeno ed elio, e l'onnipresente e isotropa radiazione di fondo a microonde. Come notato sopra, il redshift deriva dall'espansione metrica dello spazio; man mano che lo spazio stesso si espande, la lunghezza d'onda di un fotone che viaggia nello spazio aumenta allo stesso modo, diminuendo la sua energia. Più a lungo un fotone ha viaggiato, più espansione ha subito; quindi, i fotoni più vecchi provenienti da galassie più lontane sono i più spostati verso il rosso. Determinare la correlazione tra distanza e redshift è un problema importante nella cosmologia fisica sperimentale.

Altre osservazioni sperimentali possono essere spiegate combinando l'espansione globale dello spazio con la fisica nucleare e la fisica atomica. Man mano che l'universo si espande, la densità di energia della radiazione elettromagnetica diminuisce più rapidamente di quella della materia, poiché l'energia di un fotone diminuisce con la sua lunghezza d'onda. Così, anche se la densità di energia dell'universo è ora dominata dalla materia, una volta era dominata dalla radiazione; poeticamente parlando, tutto era luce. Man mano che l'universo si espandeva, la sua densità di energia diminuiva e diventava più freddo; così facendo, le particelle elementari della materia potevano associarsi stabilmente in combinazioni sempre più grandi. Così, nella prima parte dell'era dominata dalla materia, si formarono protoni e neutroni stabili, che poi si associarono in nuclei atomici. In questa fase, la materia nell'universo era principalmente un plasma caldo e denso di elettroni negativi, neutrini neutri e nuclei positivi. Le reazioni nucleari tra i nuclei hanno portato alle abbondanze attuali dei nuclei più leggeri, in particolare idrogeno, deuterio ed elio. Alla fine, gli elettroni e i nuclei si combinarono per formare atomi stabili, che sono trasparenti alla maggior parte delle lunghezze d'onda della radiazione; a questo punto, la radiazione si disaccoppiò dalla materia, formando il fondo onnipresente e isotropo della radiazione a microonde osservata oggi.

Altre osservazioni non trovano una risposta chiara nella fisica conosciuta. Secondo la teoria prevalente, un leggero squilibrio di materia su antimateria era presente nella creazione dell'universo, o si è sviluppato poco dopo. Anche se la materia e l'antimateria si sono per lo più annichilate a vicenda, producendo fotoni, un piccolo residuo di materia è sopravvissuto, dando l'attuale universo dominato dalla materia.

Diverse linee di evidenza suggeriscono anche che una rapida inflazione cosmica dell'universo è avvenuta molto presto nella sua storia (circa 10-35 secondi dopo la sua creazione). Osservazioni recenti suggeriscono anche che la costante cosmologica (Λ) non è zero, e che il contenuto netto massa-energia dell'universo è dominato da un'energia oscura e da materia oscura che non sono state caratterizzate scientificamente. Essi differiscono nei loro effetti gravitazionali. La materia oscura gravita come la materia ordinaria, e quindi rallenta l'espansione dell'universo; al contrario, l'energia oscura serve ad accelerare l'espansione dell'universo.

Alcune persone pensano che ci sia più di un universo. Pensano che ci sia un insieme di universi chiamato multiverso. Per definizione, non c'è modo che qualcosa in un universo influenzi qualcosa in un altro. Il multiverso non è ancora un'idea scientifica perché non c'è modo di testarla. Un'idea che non può essere testata o che non è basata sulla logica non è scienza. Quindi non si sa se il multiverso è un'idea scientifica.

Il futuro dell'universo è un mistero. Tuttavia, ci sono un paio di teorie basate sulle possibili forme dell'universo:

• Se l'universo è una sfera chiusa, smetterà di espandersi. L'universo farà il contrario e diventerà una singolarità per un altro Big Bang.
• Se l'universo è una sfera aperta, accelererà l'espansione. Dopo 22.000.000.000 (22 miliardi) di anni, l'universo si spaccherà con la forza.
• Se l'universo è piatto, si espanderà per sempre. Tutte le stelle perderanno la loro energia per questo e diventeranno una stella nana. Dopo un anno di googol, anche i buchi neri non ci saranno più.