L’Universo in una bomboletta spray

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LUniverso in una bomboletta spray

del Prof. Fausto Bersani Greggio
(Liceo Scientifico A. Volta Riccione)

Cosa c’è al di fuori del nostro universo? Unipotesi che potrebbe rivelarsi interessante valutare è
che il nostro Universo non sia altro che uno fra tanti Universi che esistono contemporaneamente…

…Cè sempre un altro modo di dire la stessa cosa che non assomiglia affatto al modo in cui lhai
detta prima. Di questo non conosco la ragione. Penso sia in qualche modo una rappresentazione della semplicità della natura…
Richard P. Feynmann, 1966

È possibile fari unidea di come può essere stato lUniverso nelle sue prime fasi evolutive? Cosa
significa dire che la radiazione dominava sulla materia? Per rispondere a queste domande dobbiamo
pensare che la radiazione presente nellUniverso primordiale era molto più densa e molto più calda
dello stato attuale. Sulla base della teoria della Relatività Generale di Einstein è possibile
dimostrare che la temperatura segue una legge di proporzionalità inversa rispetto al raggio
dellUniverso, quindi è destinata a diminuire nel tempo dal momento che lUniverso è in una fase di espansione.

Ricostruendo a ritroso la storia cosmologica, possiamo stimare che la temperatura, dopo un
decimillesimo di secondo dal big bang, fosse dellordine di mille miliardi di gradi Kelvin dopo di
che, attraversando varie fasi, siamo scesi agli attuali 2,7 gradi Kelvin, ossia a circa 270 gradi Celsius.
La cosa interessante è che, a volte, alcune semplici osservazioni legate alla fisica quotidiana
possono suggerirci importanti spunti per comprendere i misteri più profondi dellUniverso
raggiungendo conclusioni originali. In questo la Fisica mostra senza dubbio il suo lato più affascinante.

Supponiamo ad esempio di prendere una bomboletta spray e di spruzzare, per alcuni secondi, il suo
contenuto in aria senza che via sia alcuno scambio di calore tra la bomboletta e lambiente esterno
(espansione adiabatica). La bomboletta è un sistema che si basa sullequilibrio tra un liquido ed il
suo vapore. Un propellente gassoso ad alta pressione (in genere propano, ora che i
clorofluorocarburi sono vietati poiché corresponsabili della formazione del buco dellozono),
azionando un piccolo pistone ed una valvola, viene compresso forzando il propellente liquido a
risalire lungo un sottile tubicino interno e a fuoriuscire dalla bomboletta in forma nebulizzata. Una molla di richiamo, in seguito, richiude la valvola.
Durante questo semplice esperimento è facile costatare che la bomboletta si raffredda. Per lo stesso
motivo laria calda, quando sinnalza, raggiungendo zone più rarefatte, causa una minore pressione
atmosferica, si espande e si raffredda, abbassando quindi la temperatura dei siti posti in alta quota.

La spiegazione di questo fenomeno consiste nel fatto che, in entrambi i casi, le molecole del gas,
per espandersi, devono farsi largo contro la resistenza di altre molecole: le molecole del
propellente liquido, nel caso dello spray, le molecole daria preesistenti nelle zone più rarefatte,
nel caso dellespansione dellaria calda. Ciò comporta un consumo di energia. Nellallontanare le
molecole antagoniste, quelle del gas in espansione svolgono un lavoro e rallentano, ossia perdono energia cinetica, con la conseguenza che si raffreddano.
Generalizziamo ora la situazione introducendo una variante. Immaginiamo di ripetere lo stesso
esperimento nel vuoto, eseguendo quella che viene definita unespansione libera: il gas, che
fuoriesce dalla bomboletta, in questo caso espandendosi nel vuoto, non incontra forze antagoniste a
causa della totale assenza di molecole esterne, pertanto, non svolgendo alcun lavoro, la sua energia interna totale rimarrà costante.

Tuttavia si possono configurare due scenari: possiamo considerare il caso in cui il gas che si
espande sia rarefatto, al punto che le sue molecole possiedano unestensione trascurabile rispetto
alla loro distanza media e le forze attrattive intermolecolari, essenzialmente di natura elettrica,
siano deboli (gas perfetto), a fronte della situazione in cui il gas inizialmente si trovi ad essere
estremamente compresso, quindi in una condizione di elevata densità (gas reale). In questultima
situazione, al fine di calcolare lenergia interna totale del sistema, oltre allenergia cinetica,
legata al moto delle molecole, sarà necessario aggiungere la loro energia elettrica, la quale dipende dalla distanza intermolecolare.

Lespansione libera del modello di gas perfetto, in cui lenergia interna è solo energia cinetica,
non genera alcun rallentamento nelle molecole del gas e quindi la temperatura del sistema rimarrà costante.
Al contrario, per un gas reale, la situazione è un po più complessa: dovendo lenergia interna
rimanere costante durante lespansione libera, operazione che comporta comunque un allontanamento
delle molecole, e quindi un aumento di energia potenziale elettrica, si verificherà una diminuzione
di energia cinetica. Il bilanciamento tra energia cinetica ed energia potenziale elettrica,
necessario per mantenere costante lenergia totale, comporta un raffreddamento del gas. Tale fenomeno è noto con il nome di effetto Joule Thomson.
Tuttavia quello che si riscontra è che la temperatura diminuisce nel tempo con una legge matematica
diversa da quella che riteniamo essere la migliore ricostruzione termica dellUniverso.

Per gli amanti degli approfondimenti specialistici posso andare oltre dicendo che anche leventuale
considerazione di un fluido relativistico in espansione libera, ossia di un gas le cui molecole sono
dotate di velocità prossime a quella della luce, non sposta sostanzialmente le conclusioni in quanto il ritmo del raffreddamento cosmico risulta essere diverso dalle previsioni.

La conclusione cui siamo giunti dimostra quindi limpossibilità che lUniverso si stia espandendo
nel vuoto, assomigliando piuttosto al modello dello spray descritto in precedenza. A questo punto viene da chiedersi cosa ci sia al di fuori del nostro Universo.
Unipotesi che potrebbe rivelarsi interessante valutare è che il nostro Universo non sia altro che
uno fra tanti Universi che esistono contemporaneamente e che si stanno evolvendo adiabaticamente
secondo fasi di espansione o contrazione coerenti con gli scenari previsti dai modelli relativistici
di Friedmann. Quindi al di fuori del nostro Universo forse ci sono altri Universi.
Una tale situazione non è del tutto nuova nella fisica quantistica. Senza addentrarci troppo in
questioni eccessivamente tecniche che ci porterebbero oltre gli obiettivi di questo articolo,
accenniamo solo allipotesi dei molti mondi di Everett (Reviews of Modern Physics, Vol.29 1957)

Comè noto, secondo la scuola di Copenaghen, i singoli stati di un sistema quantistico si trovano in
una condizione di sovrapposizione: ossia esistono fisicamente separati ed alternativi gli uni agli
altri. Al momento della misura, in modo selettivo, avviene il cosiddetto collasso della funzione
donda: in modo misterioso uno stato viene selezionato casualmente mentre gli altri semplicemente spariscono senza lasciare traccia.
Secondo linterpretazione di Everett si attribuisce invece realtà fisica a tutti i possibili stati,
i quali vengono pensati come esistenti simultaneamente in Universi paralleli fra loro non comunicanti.

Tutti gli stati fisici possibili sono realizzati, ma ciascuno in una diversa copia dellUniverso,
ciascuna delle quali è essa stessa costantemente soggetta a moltiplicazione in corrispondenza di
ogni processo di misura. In tal modo non si verificherebbe più il collasso della funzione donda ma,
un multiverso di Universi paralleli: linfinita generazione e proliferazione di nuovi Universi ramificati (pluriuniversi).

Senza dubbio unidea affascinante, ma in parte anche imbarazzante: infatti saremmo costretti a
supporre che i vari Universi non possano comunicare fra loro e che in ognuno di essi sia presente una nostra copia
Daltro canto un tale scenario riuscirebbe, in una qualche misura, a giustificare anche eventuali
modelli cosmologici relativistici caratterizzati da fasi di big crunch (grande collasso) o
addirittura oscillanti con ripetizioni di cicli che alternano periodicamente big bang e big crunch.

Il secondo principio della termodinamica sembrerebbe proibire la possibilità di tali modelli. In
effetti lentropia dellUniverso non può mai diminuire e nella fase del collasso, durante il ritorno
allo stato iniziale, alcuni fisici hanno tentato di giustificare un aumento dellentropia solo introducendo ipotesi alquanto forzate.
Lidea dei molti mondi di Everett supera abbastanza naturalmente questa difficoltà poiché la
seconda legge della termodinamica verrebbe applicata non ai singoli sottosistemi formati dai singoli
Universi, ma al sistema isolato complessivo formato dallunione dei vari Universi. Pertanto
risulterebbe possibile violare localmente la legge di accrescimento dellentropia, ma non
globalmente. Non vi sono prove circa la conferma scientifica dellipotesi di Everett, né
dellinevitabilità di tale modello come unica conseguenza dellimpossibilità di avere espansioni
libere a livello cosmologico, ma certo risulta sorprendente come semplici considerazioni
termodinamiche condotte a partire da una bomboletta spray possano portarci ad intuire la possibilità di modelli cosmologici anche piuttosto complessi.

A costo di essere forse ripetitivo, voglio ancora una volta sottolineare come unespansione
cosmologica nel vuoto risulti incompatibile con i dati osservativi; difficile dire se lidea degli
Universi paralleli sia lunica spiegazione corretta, ma credo si possa affermare, con una certa convinzione che, fuori dal nostro Universo, ci sia qualcosa…

E ricorda che è appena uscito…

Scienza e Conoscenza n. 39 >> http://goo.gl/hJsHL
Editore:Scienza e Conoscenza – Editore
Data pubblicazione:Febbraio 2012
Formato:Rivista – Pag 80 –
http://www.macrolibrarsi.it/libri/__scienza-e-conoscenza-n-39.php?pn=1567

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