Il documento esplora l'origine e l'evoluzione dell'universo, partendo dalle teorie di Aristotele e Copernico fino ad arrivare alle moderne teorie cosmologiche, come il Big Bang. Viene descritta la formazione delle particelle elementari e dei quark, così come la nucleosintesi e la formazione delle galassie. Inoltre, il dibattito tra la teoria del Big Bang e quella dell'universo stazionario, infine culminando nella scoperta della radiazione cosmica di fondo come prova dell'espansione dell'universo.

1. Uno dei più grandi misteri che avvolge l'umanità fin dall'era primordiale riguarda le modalità
della nascita e dello sviluppo dell'universo.
Da Aristotele:Aristotele afferma che l'universo è sferico e finito. Sferico, perchè è questa la forma più
perfetta ; finito,perchè ha un centro, cioè il centro della terra, e un corpo con un
centro non può essere infinito.La concezione aristotelica dell'universo è gerarchica , ed
eg Copernico le ipotesi cosmologiche non cambiano di molto:il cosmo è una macchina
perfetta,di dimensioni piuttosto limitate,dove tutto si ripete allo stesso modo in
eterno.La teoria eliocentrica di Niccolò Copernico si basava sulle seguenti tre ipotesi
principali:
-la Terra compie 24 ore una rotazione completa da ovest a est intorno al proprio asse
- la Terra non al centro dell'universo ma solamente dell'orbita della luna e compie una
rivoluzione annua intorno al Sole
- tutti i pianeti ruotano intorno al sole
Copernico :
Per Newton,invece,l'universo doveva essere eterno,infinito e perfettamente omogeneo.
Il suo modello però era troppo instabile e si dovrà attendere sino al XX secolo per poter
parlare di una moderna teoria cosmologica.
Albert Einstein propose la teoria di un universo quadridimensionale, omogeneo e
statico;ma ,come notò il matematico A.Friedmann le sue equazioni ammettevano soluzione solo
per un universo dinamico.Per questo motivo Einstein inserì nella sua teoria la costante
cosmologica(una forza che si opponeva alla gravità impedendo il collasso dell'universo);
l'inserimento di questa costante si rivelò il suo più grande errore. Edwin Hubble studiando gli
spettri ottenuti dalla luce delle galassie lontane osservò come essi fossero simili a quelli delle
stelle della via lattea,ma essi avevano quasi tutte le righe spostate verso il rosso(spiegare
l'effetto Doppler e redshift). La legge di Hubble sostiene che le galassie sono in progressivo
allontanamento quanto più esse sono lontane e la velocità è tanto più elevata tanto esse sono
distanti. ( scrivere legge) Le galassie sono quindi dotate di un moto di recessione che le porta
ad allontanarsi l'una dall' altra.
Tra il 1927 e 1933 Leimaitre formulò l'ipotesi secondo la quale l'universo si fosse originato
grazie all' esplosione di un atomo primordiale. La sua teoria si basa sulle misure di redshift di
Hubble e su una delle soluzioni dell' equazione di Einstein. Leimaitre propose l' idea che
l'universo si fosse espanso a partire da un punto iniziale che egli chiamò atomo primigenio
descrivendo la sua teoria come luogo cosmico che esplodeva al momento della creazione la sua
stima dell'età dell'universo fu tra i dieci e i venti miliardi di anni. Questa teoria venne
denominata :”teoria del Big Bang caldo o modello standard”. Questa idea fu ripresa negli anni
'40 da George Gamow, Ralph Alpher e Robert Herman : essi ipotizzarono che l'universo avesse
avuto origine da un piccolo punto di densità e temperatura infinite in seguito ad un esplosione
a cui fu dato il nome di Big Bang e cercarono di descrivere le fasi del processo di creazione e
di espansione della materia (teoria classica del Big Bang e il modello standard). Secondo il
modello standard è possibile narrare la storia dell'universo a partire da 10^-4 s del momento
0( tempo cosmico), ovvero il momento in cui inizia a scorrere e ad espandersi.Prima
transizione di fase a t2 = 10-43
s, (tempo di Planck) la temperatura è T2 ~ 5·1031
e
iniziano a formarsi le prime particelle: quarck e leptoni
I leptoni
Ci sono sei leptoni, dei quali tre hanno carica elettrica e tre no. Il leptone carico più conosciuto è
l'elettrone (e). Gli altri due leptoni carichi sono il muone (µ) e il tau (), che sono fondamentalmente
elettroni con molta più massa. I leptoni carichi sono tutti negativi.
Gli altri tre leptoni sono gli elusivi neutrini (). Non hanno carica elettrica, e hanno massa
piccolissima, o forse non ce l'hanno per niente. C'è un tipo di neutrino che corrisponde a ogni tipo
di leptone con carica elettrica.Per ciascuno dei sei leptoni c'è un leptone di antimateria
(antileptone) con massa uguale e carica opposta.Essi sono indipendenti e solitari, possono

2. esistere senza la compagnia di altre particelle. I quark, invece, si trovano solo in gruppi.
Quark
si suddividono in Up/Down, Charm/Strange, e Top/Bottom. Per ciascuno di questi quark esiste il
corrispondente quark di antimateria (antiquark).
• I due quark più leggeri sono chiamati UP e DOWN, cioè, in inglese, "su" e "giù".
• Il terzo quark si chiama STRANGE, "strano". Questo nome era già stato associato al
mesone K perché la sua lunga vita sembrava una proprietà inaspettata e, appunto, "strana" (il
mesone K contiene quark strange).
• CHARM, "fascino", è il quarto tipo di quark. E' stato scoperto nel 1974 negli Stati Uniti, al
Centro dell'acceleratore lineare di Stanford, all'interno di una particella che è stata battezzata (psi),
e contemporaneamente al Laboratorio Nazionale di Brookhaven, nella stessa particella, che è stata
chiamata però J. La è una combinazione di quark charm/anti-charm ().
• Il quinto e sesto quark erano stati originariamente chiamati truth, "verità", e beauty, "bellezza", ma
questi nomi sono sembrati troppo assurdi anche ai fisici! Per cui hanno conservato le iniziali, t e b, che sono
anche il loro simbolo, ma sono diventati TOP e BOTTOM, "alto" e "basso".Il quark BOTTOM, in una
combinazione bottom/anti-bottom () chiamata Ipsilon (), è stato per la prima volta osservato nel 1977 al
Fermilab, il Laboratorio Nazionale Fermi, negli Stati Uniti.
• Il sesto sapore di quark, TOP, è il quark con massa maggiore. E' circa 35.000 volte più grande dei
quark up e down, che compongono la maggior parte della materia che vediamo attorno a noi. Il 2 marzo
1995 il Fermilab ha annunciato la scoperta del quark top. Dei sei quark previsti dalla teoria corrente, il quark
top è stato l'ultimo a venire osservato sperimentalmente.
Ma queste cariche frazionarie non sono mai state osservate direttamente perché i quark non vanno mai in
giro da soli; invece, li trovi in gruppi a formare delle particelle composte, chiamate adroni. La somma delle
cariche elettriche dei quark che compongono un adrone è sempre un numero intero. Mentre ogni quark ha
una carica di colore, gli adroni sono neutri di colore.
• I barioni.I barioni sono gli adroni composti da tre quark (qqq).
• I mesoni I mesoni contengono un quark () e un antiquark ()
nel tempo 10-4
s, Si ha il confinamento dei quark per formare protoni e neutroni. Fino a questo
istante si poteva parlare di quark come particelle libere. Ora i quark si uniscono in tripletti per
formare protoni e neutro
Ottava transizione di fase a t13 = 200 avviene la nucleosintesi di elio, deuterio e altri elementi
leggeri; da questo momento vi è materia nucleare composta in peso per il 24% di elio e per il
76% di protoni.
Solamente dopo milioni di anni(300000 anni) , in seguito a un abbassamento della
temperatura, si formano i primi atomi stabili(Prima di allora non potevano formare atomi
perchè ogni volta che un protone catturava un elettrone e formava un atomo di idrogeno, poco
dopo avveniva una collisione con un fotone che rompeva l'atomo) infatti L'energia dei fotoni
è diventata così bassa da non essere in grado di distruggere gli atomi che si vanno formando.
Dopo 1 miliardo di anni Si formano galassie e ammassi di galassie, poi le prime stelle. Si erano
create disomogeneità spaziali nella distribuzione della materia: si formano delle nubi di materia
e per effetto gravitazionale le protogalassie; entro queste si formano poi le protostelle. Con il
passare del tempo la nube di gas di una protostella diviene più piccola, la temperatura
all'interno aumenta finchè diventa così elevata che possono iniziare le reazioni termonucleari,
dove si brucia idrogeno, ottenendo elio come "cenere" (nelle stelle massiccie anche l'elio brucia

3. dando luogo a carbone, ossigeno e infine ferro).
La teoria del big bang però non fu accettata dalla cominità astonomica. Nel 1948
Bondi,Gold,Hoyle proposero la teoria dell'universo stazionario in cui l'universo sarebbe eterno e la
diluizione della materia dovuta all'espansione sarebbe bilanciata da una continua creazione spontanea di
particelle .L'allontanamento delle galassie ma asserisce che l'allontanamento delle galassie non
ha come conseguenza una diminuzione della sua densità media, mantenuta costante dalla
creazione continua di materia che aggregandosi, creerà nuove galassie.Nonostante la teoria
preveda la formazione per ogni km cubo di spazio vuoto , di un solo atomo d'idrogeno l'anno ,
questa viola il principio di conservazione della materia (a legge di conservazione dell'energia può
essere sintetizzata nella seguente forma: "l'energia si trasforma, non viene né creata, né distrutta"Al di fuori
del campo di studio della meccanica la legge di conservazione dell'energia è conosciuta come principio di
conservazione dell'energia che permette di ampliare il campo di applicazione all'equivalenza tra massa ed
energia introdotta dagli studi di Einstein. In questa ultima interpretazione si parla di principio di
conservazione della massa-energia). Con la scoperta delle radazione coscmica di fondo l'idea
dell'universo stazionario ha perso il sostegno della maggioranza degli astofisici..
Come è noto, secondo la teoria del Big Bang l’universo ha avuto origine da una grande esplosione iniziale in
cui la materia aveva valori di densità e temperatura enormi. La materia era composta da particelle elementari
ed era così densa da essere totalmente opaca alla radiazione del Big Bang. I fotoni urtavano ripetutamente
con la materia e, per quanto abbiamo detto all’inizio, la radiazione assunse lo spettro di corpo nero. Con
l’espansione dell’universo anche le lunghezze d’onda della radiazione di fondo si "allungano" e la radiazione
stessa perde energia (ricordiamo che l’energia trasportata da un’onda elettromagnetica è inversamente
proporzionale alla sua lunghezza d’onda). E' come se la radiazione fosse emessa da un corpo nero a
temperatura inferiore. Si dice allora che la radiazione di fondo è andata "raffreddando" con l’espansione
dell’universo, passando dalle centinaia di migliaia di miliardi di gradi dei primi istanti fino all’attuale infimo
valore( in altre parole:Secondo la teoria del big bang , l'universo primordiale caldissimo e densissimo dove
essere permeato da una radiazione ad altra frequenza prodatta da processi di
annichilazione(Annichilazione significa "distruzione totale" o "completa scomparsa" di un oggetto;)tra
particelle di materia e antimateria. Gamow intuì che con questa radiazione non potendo disperdersi al di fuori
dell'universo, doveva essere ancora presente)Penzias e Wilson erano due ingegneri della Bell Telephon che
stavano studiando le proprietà del rumore radio dovuto all’atmosfera in connessione con il progetto del
satellite per telecomunicazioni Telestar. Essi rilevarono un "disturbo" uniforme alle frequenze delle microonde
(1 mm 60mm)identiche a quelle che emetterebbe un corpo nero alla temperatura di 2,7 kelvin che non
poteva essere dovuto ad alcun rumore strumentale o sorgente radio nota. Inoltre il segnale era isotropo,
ovvero la sua intensità era sempre la stessa, indipendentemente dalla direzione verso cui si puntava
l’antenna. Dopo un’attenta analisi i due ingegneri giunsero dunque alla conclusione di avere individuato una
radiazione di fondo di natura extraterrestre che era proprio la radiazione descritta da gamow. Fu un gruppo
di fisici teorici dell’Università di Princeton a capire immediatamente che il disturbo scoperto era in realtà il
calore residuo del Big Bang. Tale radiazione è ritenuta il residuo del big bang , liberatosi quando l'universo
divenne trasparente alle radiazioni ed è detta radiazione cosmica o fossile di fondo.Negli ultimi trent’anni,
tuttavia, è stato fatto ricorso a tecniche osservative sempre più sofisticate utilizzanti antenne da terra, missili,
palloni e, recentemente, il satellite COBE, lanciato nel 1991. Questo satellite ha avuto un vantaggio enorme
rispetto alle strumentazioni precedenti, Con gli studi iniziali infatti la radiaizone di fondo si dimostrava
estremamente uniforme e troppo omogenea per essersi formata in un periodo in cui dovevano già essere
presenti delle dsomogeneità nella distribuzione della materia ( modello standard) . COBE E LA SONDA
WMAP hanno evidenziato un leggerissima anisotropia,ovvero di lievissime variazioni , nella radiaizone
fossile che sono interpretate come il segnale dell'inizio della formazione delle galassie.
Tenendo presente due grandi problemi ( 1 Quando si parla di ORIZZONTE COSMOLOGICO, si intende
quale settore dello spazio – tempo accessibile a noi. Di tutto quello che sta al di fuori dell’orizzonte non
possiamo avere informazioni . L’orizzonte cosmologico ha costituito un problema per la teoria del BIG –
BANG. Se due oggetti nello spazio sono in grado di comunicare tra loro per mezzo di un “segnale”, si dice
che sono in CONTATTO CAUSALE, nel senso che l’uno può provocare nell’altro un effetto, in conseguenza
del segnale che gli invia. La regione dello spazio – tempo entro la quale un corpo può avere con altri una
relazione causa – effetto, si dice ORIZZONTE CAUSALE, anche se in alcuni casi viene chiamato
ORIZZONTE PARTICELLA.Dove sta dunque il problema?L’Universo appare nel complesso OMOGENEO e
ISOTROPO (cioè ha le stesse proprietà nei vari punti dello spazio e nelle varie direzioni). Anche regioni
dell’Universo tra loro molto lontane, ciascuna al di fuori dell’orizzonte causale dell’altra, sembrano avere
proprietà simili. Nemmeno la Luna, il segnale che viaggia più velocemente, avrebbe potuto metterle un
contatto causa – effetto nel tempo trascorso. Come hanno fatto allora a comunicarsi le informazioni che

4. hanno permesso loro di “accordarsi” su proprietà simili?come ha potuto avere inizio l'espansione
dell'universo in presenza di una forza gravitazionale che avrebbe dovuto farlo collassare ? 2) perchè nelle
parti che riusciamo ad osservare esso risulta piatto ( cioè valgono i principi della geometria euclidea)?) gli
astrofisici si rivolsero alla fisica quantistica ( delle particelle ).Ne scaturì la teoria dell'universo inflazionario
sviluppata da Linde e Guth.
Esso prevede che nei primi istanti di vita dopo il Big Bang, precisamente dopo 10 secondi, L’Universo abbia
subito una rapidissima espansione, detta INFLAZIONE, che nel giro di 1000 unità di tempo si è conclusa
10¯³² secondi dopo il Big bang; il cosmo aveva aumentato, in un tempo così piccolo, le sue dimensioni di un
fattore 10³º. Dopo questa fase, l’evoluzione sarebbe proseguita secondo la teoria classica del Big
Bang.Quale è stata la causa del fenomeno inflazionario? Tenendo le ipotesi correnti, essa va ricercata
nell’ambito della GRANDE UNIFICAZIONE (G. U. T. delle quattro interazioni fondamentali. La FORZA
GRAVITAZIONALE, quella ELETTROMAGNETICA, quella NUCLEARE DEBOLE e NUCLEARE FORTE.
Le quattro forze della natura sarebbero manifestazioni diverse di un’unica interazione. Alle altissime
temperature e densità dei primi istanti di vita dell’Universo, esse erano INDISTINGUIBILI; si sarebbero poi
diversificate nel tempo, via via che l’Universo si raffreddava e si espandeva, generando ogni volta una
TRANSIZIONE DI FASE, liberando energia che “riscaldava” nuovamente l’ Universo e producendo classi
ben precise di particelle subatomiche. Queste classi di particelle segnano ciascuna separazione fra le forze,
al punto che le varie “ere di separazione” vengono identificate con le particelle prodotte principalmente in
quel preciso momento. Fu proprio durante questo momento di diversificazione che avvenne l’INFLAZIONE,
come conseguenza della ROTTURA DI SIMMETRIA tra la forza gravitazionale e le restanti tre. La
separazione dell’ambito di influenza reciproco, potrebbe aver sviluppato un’energia così spaventosamente
grande da far letteralmente esplodere l’Universo, al punto che dalle dimensioni più piccole di quelle di una
particella subatomica alla fine ci si ritrovò a delle dimensioni più grandi di quelle di un ammasso di galassie.
Neutrini
Con circa 1400 metri di roccia (equivalenti a circa 3500 d’acqua) il flusso dei raggi cosmici e’ ridotto al Gran
Sasso di circa un fattore 1 milione In questo “silenzio cosmico” e’ possibile trovare il segnale di:
Neutrini provenienti dal centro del Sole, eventualmente da stelle in esplosione (supernovae), dal CERN o prodotti dalla
radioattivita’ naturale nelle roccie terrestri
Cercare la presenza della cosiddetta “materia oscura”, una forma di materia non nota che quasi certamente forma il
30% della massa dell’Universo ma di cui per ora non si sa quasi nulla
radiazioni
n un primo periodo della storia dell’Universo radiazione e la materia erano fortemente accoppiate, tali da
costituire un unico fluido (il plasma primordiale) nel quale il cammino libero medio dei fotoni era molto breve,
a causa dell’elevato numero di diffusioni causate dagli elettroni liberi ivi presenti. In tutta questa prima fase,
l’Universo è stato pertanto opaco alla radiazione.
n un primo periodo della storia dell’Universo radiazione e la materia erano fortemente accoppiate, tali da
costituire un unico fluido (il plasma primordiale) nel quale il cammino libero medio dei fotoni era molto breve,
a causa dell’elevato numero di diffusioni causate dagli elettroni liberi ivi presenti. In tutta questa prima fase,
l’Universo è stato pertanto opaco alla radiazione.

5. Gamow intuì che questa radiazione non potendo disperdersi al di fuori dell'universo, doveva essere ancora
presentePenzias e Wilson erano due ingegneri della Bell Telephon che stavano studiando le proprietà del
rumore radio dovuto all’atmosfera in connessione con il progetto del satellite per telecomunicazioni
Telestar.Essi rilevarono un "disturbo" uniforme alle frequenze delle microonde (1 mm 60mm)identiche a
quelle che emetterebbe un corpo nero alla temperatura di 2,7 kelvin che non poteva essere dovuto ad alcun
rumore strumentale o sorgente radio nota. Inoltre il segnale era isotropo, ovvero la sua intensità era sempre
la stessa, indipendentemente dalla direzione verso cui si puntava l’antenna
Di avere individuato una radiazione di fondo di natura extraterrestre che era proprio la radiazione descritta
da Gamow. Fu un gruppo di fisici teorici dell’Università di Princeton a capire immediatamente che il disturbo
scoperto era in realtà il calore residuo del Big Bang. Tale radiazione è ritenuta il residuo del big bang ,
liberatosi quando l'universo divenne trasparente alle radiazioni ed è detta radiazione cosmica o fossile di
fondo.Con gli studi iniziali ,però la radiazione di fondo si dimostrava estremamente uniforme e troppo
omogenea per essersi formata in un periodo in cui dovevano già essere presenti delle disomogeneità nella
distribuzione della materia . COBE E LA SONDA WMAP hanno evidenziato un leggerissima
anisotropia,ovvero di lievissime variazioni , nella radiazione fossile che sono interpretate come il segnale
dell'inizio della formazione delle galassie.
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