Siamo soli nell'universo? L'universo è infinito? Diamo un'occhiata ai misteri più importanti del cosmo, ai quali la scienza non ha ricevuto una risposta chiara, almeno al momento.
Lo spazio ha affascinato l’umanità fin dai tempi antichi. Il cielo, pieno di stelle, pianeti, comete e altri fenomeni, suscita la nostra curiosità e ammirazione. Siamo anche interessati ai misteri della nostra origine ed esistenza, ai buchi neri e alla materia oscura. Allo stesso tempo, l’universo nasconde molti misteri ai quali non abbiamo risposte. Suggerisco di conoscere alcuni di questi misteri.
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Siamo soli nell'universo?
Questa è una delle domande più antiche e fondamentali dell’esistenza umana. C'è vita oltre la Terra? Queste forme di vita sono intelligenti e possiamo comunicare con loro? Che aspetto ha la vita e come si sviluppa al di fuori del nostro pianeta? Quali sono le possibilità di incontrare altre civiltà? Non abbiamo risposte a queste domande, anche se esistono varie ipotesi e progetti di ricerca. Ad esempio, sulla base dell'equazione di Drake, gli scienziati stanno cercando di determinare il numero di potenziali civiltà nella nostra galassia e il programma SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) ricerca segnali radio dallo spazio. Finora, tuttavia, non abbiamo trovato prove di vita al di fuori del nostro pianeta. Anche se questo può significare che è molto raro o molto difficile da rilevare.
Uno degli argomenti a favore dell'esistenza della vita nell'universo è la sua enorme dimensione e diversità. Secondo le stime attuali, la nostra galassia contiene circa 100 miliardi di stelle e l'intero universo che possiamo attualmente osservare conta circa 100 miliardi di galassie. Gli scienziati prevedono che almeno 10 miliardi di pianeti nella Via Lattea abbiano le dimensioni della Terra e si trovino nella zona abitabile della loro stella. Cioè a una distanza che consenta all'acqua di esistere sulla superficie allo stato liquido. Alcuni di questi pianeti potrebbero avere condizioni simili alle nostre, oppure potrebbero essere completamente diverse, ma comunque favorevoli alla vita. È anche possibile che la vita extraterrestre possa resistere a condizioni per noi ostili o completamente diverse da quelle della Terra.
Un altro argomento a favore dell’esistenza della vita nell’universo è la sua straordinaria capacità di adattarsi ed evolversi. Gli scienziati ritengono che la vita sia apparsa sulla Terra circa 3,5 miliardi di anni fa e da allora si sia evoluta in modo sorprendente, creando milioni di specie di piante e animali di ogni forma, dimensione e abilità. La vita sulla Terra è sopravvissuta a molti cataclismi e cambiamenti climatici, adattandosi a nuove condizioni. Ciò sta accadendo anche adesso in ambienti estremi come le sorgenti termali, i bacini oceanici profondi o i ghiacciai artici. Se la vita sulla Terra è così flessibile e resiliente, perché non dovrebbe essere la stessa altrove?
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Cosa è successo prima del Big Bang?
Secondo la teoria cosmologica attualmente dominante, l’universo si è formato circa 14 miliardi di anni fa a seguito del Big Bang. Fu un momento in cui tutta la materia e l'energia furono concentrate in un punto infinitesimale di densità e temperatura infinite. Come risultato dell'esplosione, iniziò la rapida espansione e raffreddamento dell'universo, che continua ancora oggi. Ma cosa è successo prima del Big Bang? Esisteva un altro universo? Il Big Bang è stato un evento unico o parte di un ciclo? Non abbiamo risposte a queste domande perché la fisica classica non può descrivere lo stato dell’universo prima del Big Bang. Tuttavia, ci sono varie ipotesi basate sulle teorie quantistiche.
Una di queste è la cosiddetta ipotesi della singolarità iniziale. Si presuppone che prima del Big Bang non esistesse nulla: né tempo, né spazio, né materia. Tutto questo si è formato solo al momento dell'esplosione da un punto di dimensione zero e densità infinita.
Un’altra ipotesi è la cosiddetta inflazione eterna. Si presume che prima del Big Bang esistesse un campo quantistico ad altissima energia che si espandeva a un ritmo crescente. Questo campo era instabile e soggetto a fluttuazioni quantistiche. In vari punti del campo, le transizioni verso uno stato energetico inferiore si sono verificate in modo caotico, creando bolle di spazio con le proprie leggi fisiche. Ciascuna di queste bolle potrebbe diventare l'inizio di un altro universo. Il nostro universo sarebbe una di queste bolle formatesi circa 14 miliardi di anni fa.
Un’altra ipotesi è la cosiddetta ipotesi del grande rimbalzo. Si presuppone che prima del Big Bang esistesse un altro universo che si contrasse e raggiungesse la sua dimensione minima. Poi ci fu una ripresa e iniziò una nuova fase di espansione, e tali cicli di contrazione ed espansione dell'universo possono ripetersi indefinitamente. Questa ipotesi si basa sulla teoria della gravità quantistica a loop, che tenta di conciliare la meccanica quantistica con la teoria generale della relatività di Einstein.
Come puoi vedere, la domanda su cosa sia successo prima del Big Bang non ha una risposta semplice. Forse non lo sapremo mai, oppure potremmo dover cambiare la nostra concezione del tempo e dello spazio per trovare la risposta. Sebbene l'umanità abbia già dimostrato di poter sorprendere.
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Come ha avuto origine la vita?
La vita è una delle più grandi meraviglie dell’universo. Gli organismi capaci di crescita, riproduzione, adattamento ed evoluzione sono nati dalla materia inanimata. Ma come è successo? Come sono nate le prime cellule da semplici molecole organiche e come si sono evolute da esse tutte le forme di vita sulla Terra? Non abbiamo ancora risposte definitive a queste domande, anche se esistono varie teorie e ipotesi sull’origine della vita. Alcuni di essi si basano su esperimenti e osservazioni, altri su finzioni e congetture.
Una delle teorie è la cosiddetta ipotesi del brodo primario. Si presume che la vita abbia avuto origine negli oceani della Terra primordiale, dove c'erano semplici molecole organiche come aminoacidi, polipeptidi, basi azotate e nucleotidi. Questi composti potrebbero essere sintetizzati nell'atmosfera sotto l'influenza di scariche elettriche o raggi cosmici, e poi entrare negli oceani. Lì potrebbero combinarsi in strutture più grandi, come proteine o acidi nucleici. Col tempo, sulla base della selezione naturale, potrebbero comparire i primi sistemi autoriproduttivi.
La cosiddetta ipotesi dell'argilla suggerisce che la vita abbia avuto origine su terreni dove erano presenti minerali alluminosilicati con struttura cristallina. Questi minerali potrebbero servire da catalizzatori e modelli per la creazione e l’organizzazione di molecole organiche. Sulla superficie dell'argilla potrebbero formarsi strati di proteine e acidi nucleici da cui si formeranno le prime cellule circondate da membrane lipidiche.
Un'altra teoria è l'ipotesi delle cosiddette sorgenti idrotermali. Si presume che la vita abbia avuto origine sul fondo dell'oceano, in crateri idrotermali, da cui fuoriesce acqua calda, ricca di minerali e composti solforati. In un tale ambiente si possono formare semplici molecole organiche e gradienti termici e chimici che promuovono reazioni biochimiche. Le prime cellule protette dalle condizioni esterne potrebbero essersi formate negli anfratti delle rocce o nei micropori dei camini.
Esistono molte teorie e ipotesi simili, ma nessuna di esse è stata dimostrata in modo definitivo. La questione della creazione della vita è ancora aperta. O forse siamo stati reinsediati, ad esempio, da Marte o Venere? Potremmo essere stati creati da qualche materia o energia oscura?
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Cos’è la materia oscura e l’energia oscura?
Le osservazioni astronomiche mostrano che la materia ordinaria (atomi, particelle, pianeti, stelle, ecc.) costituisce solo circa il 5% della massa e dell'energia dell'universo. Il resto è la cosiddetta materia oscura (circa il 27%) ed energia oscura (circa il 68%). La materia oscura è invisibile perché non assorbe né riflette la radiazione elettromagnetica, ma ha un'interazione gravitazionale con altri oggetti, senza la quale le galassie non potrebbero restare insieme e si disgregherebbero sotto l'influenza della rotazione. L'energia oscura è una forza misteriosa che accelera l'espansione dell'universo e contrasta la gravità. Tuttavia, non sappiamo esattamente cosa siano la materia oscura e l’energia oscura, né come si siano formate.
Sappiamo che la materia oscura esiste perché la quantità di materia ordinaria, cioè quella composta da atomi o ioni, nell'universo è troppo piccola per generare le interazioni gravitazionali che osserviamo. Perché sto menzionando la gravità qui? Perché è una manifestazione dell'esistenza della materia. In termini semplici, la materia ha una massa capace di esercitare una specifica influenza gravitazionale sull'ambiente circostante. Se consideriamo ogni galassia, stella, nuvola di polvere nello spazio interstellare, cioè tutta la materia ordinaria a noi nota nell'universo, osserveremo molte più interazioni gravitazionali di quelle che quella quantità di materia può creare. Quindi ci deve essere qualcos'altro per spiegare l'eccesso di gravità.
Se c’è un effetto, deve esserci una causa. Questo è uno dei principi assolutamente fondamentali nella scienza e nell'osservazione del mondo circostante, che aiuta a trarre conclusioni, scoperte ed è una delle migliori indicazioni nella ricerca di possibili risposte alle domande che appassionano la scienza. Conosciamo l'esistenza della materia oscura grazie a una teoria che descrive come la materia oscura influisce sulla velocità di rotazione delle stelle nei bracci della Via Lattea. Si stima che nella nostra parte della Galassia dovrebbero esserci solo da 0,4 a 1 kg di materia oscura, che molto probabilmente occupa uno spazio paragonabile alle dimensioni della Terra.
L’ipotesi che esista la materia oscura è ora la spiegazione dominante per le anomalie di rotazione galattica che osserviamo e il movimento delle galassie negli ammassi. Cioè, le osservazioni delle galassie dimostrano l'esistenza della materia oscura.
Passiamo ora all'energia oscura. È significativamente diverso dalla materia oscura. Sappiamo che la sua influenza deve essere repulsiva e portare ad un'espansione accelerata dell'universo. Questa accelerazione può essere misurata mediante osservazioni, perché le galassie si allontanano l'una dall'altra ad una velocità proporzionale alla loro distanza.
Quindi, ancora una volta, abbiamo un effetto, quindi deve esserci una causa. Tutte le misurazioni attuali confermano che l’universo si sta espandendo sempre più velocemente. Insieme ad altri dati scientifici, ciò ha permesso di confermare l'esistenza dell'energia oscura e di fornire una stima della sua quantità nell'universo. A causa di questa proprietà repulsiva, l'energia oscura può essere considerata anche "antigravità".
Qual è la differenza tra materia oscura ed energia oscura? Nonostante il nome simile, è un errore pensare all’energia oscura come qualcosa che si riferisce ad altri tipi conosciuti di energia, nello stesso modo in cui la materia oscura è correlata alla materia ordinaria. Inoltre, la materia oscura e l’energia oscura hanno effetti completamente diversi sull’universo.
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È possibile viaggiare nel tempo?
Il viaggio nel tempo è un sogno di molte persone, quindi vediamo molte opere letterarie e film su questo argomento. Ma è fisicamente possibile? Secondo la teoria della relatività di Einstein, il tempo non è costante e assoluto, ma dipende dalla velocità dell'osservatore e dalla forza di gravità. Quanto più velocemente ci muoviamo, o quanto più forte è il campo gravitazionale, tanto più lento passa il tempo per noi. Ciò significa che il viaggio nel futuro è possibile se raggiungiamo una velocità molto elevata o ci avviciniamo a un oggetto molto massiccio. Ad esempio, il tempo scorre un po’ più lentamente per un astronauta nell’orbita terrestre che per una persona sulla superficie del pianeta. Tuttavia, questa differenza è troppo piccola per essere evidente. Per poter viaggiare nel futuro, dovremmo viaggiare a velocità prossime a quella della luce o trovarci vicino a un buco nero. Tuttavia, entrambe queste opzioni vanno oltre le nostre capacità tecniche.
Il viaggio nel passato è ancora più complicato e controverso. Sembra impossibile, perché è vietato da alcune leggi fisiche. Alcune teorie, però, ammettono l'esistenza delle cosiddette curve temporali chiuse, cioè percorsi nello spazio-tempo, cicli nel tempo che ritornano allo stesso punto. Tali percorsi potrebbero permetterci di viaggiare indietro nel tempo, ma richiederebbero condizioni molto insolite, come un wormhole o un buco nero rotante.
Teoricamente, i buchi neri possono ruotare e questo fenomeno è chiamato "buco nero rotante" o "buco nero di Kerr". Nel 1963, il fisico americano Roy Kerr propose un modello matematico di un buco nero che ruota attorno al proprio asse.
Tuttavia, non sappiamo se tali oggetti esistano e se siano stabili. Inoltre, il viaggio nel tempo crea molti paradossi logici e contraddizioni causa-effetto, ad esempio il paradosso del nonno: cosa succede se un viaggiatore nel tempo uccide suo nonno prima della nascita di suo padre? Alcuni scienziati cercano di spiegare questi paradossi suggerendo l'esistenza di più mondi o l'autorinnovamento dello spazio-tempo.
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Esistono universi paralleli?
Il nostro universo è unico o fa parte di una struttura più ampia, il cosiddetto multiverso? Esistono altri universi in cui la storia e la fisica potrebbero rivelarsi diversamente? Possiamo interagire o visitare questi mondi? Queste sono domande che riguardano non solo gli scienziati, ma anche gli scrittori e i cineasti. Esistono diverse ipotesi sull'esistenza di universi paralleli, come la teoria delle stringhe, la teoria dell'inflazione eterna e l'interpretazione della meccanica quantistica del multiverso. Tuttavia, nessuno di essi è stato confermato né mediante osservazioni né sperimentalmente.
Una delle ipotesi è la teoria delle stringhe, che presuppone che gli oggetti fisici di base non siano particelle puntiformi, ma stringhe unidimensionali che oscillano nello spazio a dieci dimensioni. La teoria delle stringhe consente l'esistenza di ipotetiche brane (membrane), che sono oggetti multidimensionali costituiti da stringhe. Il nostro universo potrebbe essere una brana simile, sospesa in una dimensione superiore. È anche possibile che esistano altre brane separate dalla nostra da una breve distanza. Se le due brane dovessero entrare in collisione tra loro, potrebbero provocare il Big Bang e creare un nuovo universo.
Un'altra ipotesi è l'inflazione eterna, menzionata sopra. È associato a un campo quantistico di altissima energia, che si sta espandendo a un ritmo crescente.
Un’ipotesi interessante è l’interpretazione della meccanica quantistica del multiverso, che suggerisce che ogni misurazione quantistica porta a una ramificazione dell’universo in molti possibili risultati. Ad esempio, se misuri la posizione di un elettrone in un atomo di idrogeno, puoi ottenere valori diversi con una certa probabilità. Tale interpretazione del multiverso suggerisce che ciascuna di queste dimensioni sia realizzata in un altro universo e che noi duplichiamo noi stessi con ciascuna dimensione. Si creano così infiniti universi paralleli, diversi tra loro per piccoli dettagli o storie completamente diverse.
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Cosa succede all'interno dei buchi neri?
I buchi neri sono oggetti cosmici con una densità e una forza gravitazionale così elevate che nulla può sfuggire da loro, nemmeno la luce. Si formano a seguito del collasso dei nuclei delle stelle morenti o della fusione di buchi neri più piccoli. Intorno a ogni buco nero c'è un confine chiamato orizzonte degli eventi, che segna il punto di non ritorno per qualsiasi cosa si avvicini ad esso. Ma cosa succede oltre l’orizzonte degli eventi? Cosa c'è dentro un buco nero? Non abbiamo risposte a queste domande perché la fisica classica non può descrivere le condizioni e i processi all’interno di un buco nero. Sono tuttavia possibili varie ipotesi basate su teorie quantistiche o alternative.
Una di queste ipotesi è l’ipotesi della singolarità. Dice che tutta la materia e l'energia all'interno di un buco nero sono concentrate in un unico punto di volume zero e densità e curvatura spazio-temporali infinite. In un momento del genere, tutte le leggi fisiche conosciute cessano di applicarsi e non sappiamo cosa sta succedendo lì.
L'ipotesi stellare di Planck prevede che nel profondo di un buco nero, la materia non sia compressa in una singolarità, ma in uno stato di densità e temperatura estremamente elevate, in cui operano le leggi della gravità quantistica (una combinazione di meccanica quantistica e relatività generale). In questo stato, la materia potrebbe rimbalzare l'una sull'altra e formare un oggetto sferico con un raggio vicino alla lunghezza di Planck, la lunghezza più piccola possibile in fisica. Il suo valore è incredibilmente piccolo: 20 ordini di grandezza inferiori alla dimensione di un nucleo atomico. Un oggetto del genere può emettere radiazione Hawking (fluttuazioni quantistiche sopra l'orizzonte degli eventi) e perdere gradualmente massa ed energia fino a esplodere e rilasciare l'intero contenuto del buco nero.
Un’altra idea è la cosiddetta ipotesi gravastar. Si presuppone che ci sia uno strato di materia esotica con pressione negativa al confine dell’orizzonte degli eventi, che impedisce all’interno del buco nero di collassare in una singolarità. In questo caso, l’interno del buco nero sarebbe uno spazio vuoto con densità costante e temperatura zero. Una tale struttura sarebbe stabile e non emetterebbe radiazioni di Hawking.
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L'universo ha una fine?
L'universo è infinito e non ha limiti: questa è la risposta più semplice a questa domanda. Ma cosa significa veramente questo e come possiamo esserne sicuri? Ci sono tre scenari possibili: l'universo è illimitato, finito e chiuso (come una sfera o un toro), l'universo è finito e aperto (come una sella), oppure l'universo è infinito e piatto. Inoltre, non sappiamo cosa succede oltre l'orizzonte degli eventi, il limite dell'universo osservabile che risulta dalla velocità finita della luce.
Cominciamo da quello che sappiamo per certo. Sappiamo che l'universo è in espansione, il che significa che le distanze tra le galassie sono in costante aumento. Sappiamo anche che l’universo ha circa 13,8 miliardi di anni e che si è formato durante il Big Bang, uno stato di densità e temperatura estreme che ha dato origine alla materia, all’energia, al tempo e allo spazio.
Ma cosa è successo prima del Big Bang? E cosa c'è oltre l'orizzonte degli eventi, il limite dell'universo osservabile, oltre il quale non possiamo vedere nulla a causa della velocità limitata della luce? C'è una fine per l'universo o una barriera?
Gli scienziati ritengono che ciò sia improbabile. Non c’è prova di tale fine o barriera. Invece, il modello più accettabile è quello in cui l’universo è omogeneo e isotropo, cioè uguale in tutte le direzioni e luoghi. Un universo del genere non ha bordi né centro e può avere dimensioni infinite.
Naturalmente non possiamo testarlo direttamente perché non possiamo viaggiare più veloci della luce o andare oltre l’universo osservabile. Ma possiamo dedurre le proprietà dell'intero universo da ciò che vediamo alla nostra portata. E tutte le osservazioni indicano che l'universo è omogeneo su larga scala.
Ciò non significa che non ci siano altre opzioni. Alcune teorie alternative suggeriscono che l'universo potrebbe essere curvo o avere una forma geometrica complessa. Può anche far parte di una struttura più grande o avere più copie o riflessioni.
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Esiste un modo per viaggiare più veloci della luce?
Il movimento più veloce della luce è l’ipotetica possibilità che la materia o le informazioni si muovano più velocemente della velocità della luce nel vuoto, che è di circa 300 km/s. La teoria della relatività di Einstein prevede che solo le particelle con massa a riposo pari a zero (come i fotoni) possano viaggiare alla velocità della luce e che nulla possa viaggiare più velocemente. Si è ipotizzato la possibilità dell'esistenza di particelle con velocità maggiore della velocità della luce (tachioni), ma la loro esistenza violerebbe il principio di causalità e significherebbe uno spostamento nel tempo. Gli scienziati non sono ancora giunti a un consenso su questo tema.
Tuttavia, è stato suggerito che alcune regioni distorte dello spazio-tempo potrebbero consentire alla materia di raggiungere luoghi distanti in meno tempo rispetto alla luce nello spazio-tempo normale (“non distorto”). Tali regioni "apparenti" o "effettive" dello spazio-tempo non sono escluse dalla teoria della relatività generale, ma la loro plausibilità fisica non è attualmente confermata. Esempi sono la spinta di Alcubierre, i tubi di Krasnikov, i wormhole e il tunneling quantistico.
Le conseguenze dei viaggi a velocità superiore alla luce al nostro livello di conoscenza dello spazio sono difficili da prevedere perché richiedono nuova fisica ed esperimenti. Una possibile conseguenza sarebbe la possibilità di viaggi nel tempo e paradossi logici legati alla causalità. Un'altra conseguenza potrebbe essere la possibilità di studiare stelle e pianeti lontani durante la vita di una persona. Ad esempio, la stella più vicina al di fuori del Sistema Solare, Proxima Centauri, dista circa 4,25 anni luce. Viaggiare alla velocità della luce richiederebbe solo 4 anni e 3 mesi, e viaggiare più velocemente della luce richiederebbe ancora meno tempo.
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Dove scompaiono i pianeti? Cosa sta succedendo loro?
I pianeti perduti sono oggetti ipotetici del sistema solare, la cui esistenza non è stata confermata, ma è stata fatta sulla base di osservazioni scientifiche. Oggi esistono ipotesi scientifiche sulla possibilità dell'esistenza di pianeti sconosciuti che potrebbero andare oltre le nostre attuali conoscenze.
Uno di questi ipotetici pianeti è Phaethon, o pianeta di Olbers, che potrebbe essere esistito tra le orbite di Marte e Giove, e la sua distruzione avrebbe provocato la formazione di una fascia di asteroidi (incluso il pianeta nano Cerere). Questa ipotesi è attualmente considerata improbabile perché la fascia degli asteroidi ha una massa troppo piccola per aver avuto origine dall'esplosione di un grande pianeta. Nel 2018, i ricercatori dell’Università della Florida hanno scoperto che la cintura degli asteroidi si è formata da frammenti di almeno cinque o sei oggetti di dimensioni planetarie, piuttosto che da un singolo pianeta.
Un altro ipotetico pianeta è il Pianeta V, che, secondo John Chambers e Jack Lisso, una volta esisteva tra Marte e la fascia degli asteroidi. L'ipotesi sull'esistenza di un pianeta del genere è stata fatta sulla base di simulazioni al computer. Il Pianeta V potrebbe essere stato responsabile del Grande Bombardamento avvenuto circa 4 miliardi di anni fa, che creò numerosi crateri da impatto sulla Luna e su altri corpi del Sistema Solare.
Esistono anche varie ipotesi su pianeti oltre Nettuno, come il Pianeta Nove, il Pianeta X, Tyche e altri, che cercano di spiegare l'esistenza di apparenti anomalie nelle orbite di alcuni lontani oggetti transnettuniani. Tuttavia, nessuno di questi pianeti è stato osservato direttamente e la loro esistenza è ancora discutibile. Sebbene gli scienziati stiano ancora cercando di studiare lo spazio tra Marte e Giove, oltre Nettuno. Forse più tardi avremo nuove ipotesi e scoperte.
È sempre stato importante per l’umanità conoscere le risposte sul cosmo, sulla Terra e su se stessa. Ma finora la nostra conoscenza è limitata, anche se gli scienziati non stanno fermi, cercando di trovare risposte, aprendo nuove strade nello spazio. Perché deve esserci una risposta a qualsiasi domanda o enigma. Ecco come è organizzata una persona, così è organizzato l'universo.
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