Qualche dubbio sul Big Bang?

[fernando]

Riprendo il filo del tema “qualche dubbio sul big bang iniziato tempo fa da Gigi con questo messaggio:

Ma è vero che la teoria del Big Bang è una bufala tenuta in piedi solo da un giro di denaro che si è catalizzato attorno ad essa?
Se siete curiosi, andate al link qui sotto.

http://www.disinformazione.it/big_bang.htm

Ciao a todos

GiGi
ripreso da molti
e ultimamene commentato da me, spezzando una lancia contro il giornalismo salottiero e facilone come quello dell'articolo al link citato
Commenti al forum “qualche dubbio…”

è un po’ che non leggo nulla sul tema “qualche dubbio sul Big Bang”.
Dunque, ad acque calmate, dico la mia opinione.
La mia opinione non certo sul BB (non sono un’autorità in materia), ma su come certi temi si finisce per dibatterli sulla base di conoscenze lacunose, diffuse da fonti schierate.

Di quando in quando qualcuno sente il bisogno di proclamare al mondo che i fisici hanno una congenita tendenza al mendacio e che inventano fascinosi ma vuoti schemi teorici, per sentirsi superiori e per convogliare danaro in certi progetti.

Sappiamo che nelle stanze dei bottoni qualunque metodo è buono se serve per il raggiungimento dello scopo, quindi non si può escludere che il supporto ad una teoria sia strategico per qualche potere forte, come sostiene l’articolista che, a proposito della relazione di Galianni, usa le solite frasi ad effetto (“oltre la verità ufficiale”, “un punto di svolta per l'astronomia moderna” , ecc)

Ma questa non è Fisica, è manipolazione: nessun Fisico ha mai affermato che il BB è “la verità”.

Il Fisico vuole più di ogni altra cosa progredire nella comprensione dell’Universo Fisico (cioè inanimato). Per farlo, elabora dei modelli parziali, ma è totalmente disposto a modificarli o abbandonarli, quando e se trova qualcosa di meglio. Nulla farebbe più felice un fisico quanto trovare la ragione per superare un modello consolidato. Qualunque teoria, per quanti successi raccolga nello spiegare e predire la sperimentazione, è considerata provvisoria. L’atteggiamento è del tipo: usiamo questo finchè non troviamo di meglio, entro i limiti in cui funziona bene.

Il Modello Standard del Big Bang Caldo è ritenuto dalla comunità scientifica il migliore di cui disponiamo, ma si riconosce che è lacunoso ed ha bisogno di acrobazie tecniche (come il postulare l’Era Inflattiva)
Elmar dice a ragione che nessuno sa che cosa sia. Ma qualcuno sa che cosa sia un elettrone? e un fotone? Ciò nonostante siamo capaci di fare un mare di calcoli basati sulle interazioni tra elettroni e fotoni, anzi su questi calcoli su enti sconosciuti abbiamo fondato uno dei due pilastri del Modello Standard delle Particelle Elementari: la Elettrodinamica Quantistica. Anche questo Modello non è definitivo, ma funziona benissimo e gli specialisti lo sanno usare benissimo. Peccato che non sappiamo perché funziona così. Forse che i fisici sono soddistati di questo stato di cose? No di certo, (lo stesso Feynmann, creatore della teoria , parla di “ritirata della Fisca”), e se troveranno qualcosa di meglio non saranno certo riluttanti a cambiare.

Ciò che si chiede a una teoria fisica non è di piacere o essere sensata: deve semplicemente funzionare, cioè essere convincente nello spiegare i fenomeni noti e nel prevedere i risultati di esperimenti non ancora fatti. Se poi è non riceve la “certificazione del buon senso”, ciò dipende unicamente dalla nostra pretesa – ingiustificata – di applicare la comune esperienza al di fuori del suo contesto.

I fisici hanno imparato a convivere con questo problema (l’insensatezza della fisica), sono in un certo senso vaccinati. La gente comune no. I giornalisti divulgativi dovrebbero fare da ponte.

[Sergio]

Bravo Fernando, ora cechiamo di convincere gli altri soci a rispondere sul forum anzichè scrivere delle e-mail.

[Guido]

Carissimo Fernando,
desidero sinceramente ringraziarti per quanto hai scritto.
Una Lezione Magistrale sul rigore e sui limiti del metodo scientifico che mai prima d’ora avevo letto così chiara e al tempo stesso condensata in poche parole.
Credo purtuttavia che la Conoscenza alimenti i dubbi, l’Ignoranza gli assiomi e pertanto sia alquanto difficile mantenersi all’interno degli stretti limiti del rigore scientifico per la maggior parte di noi che affrontiamo con entusiasmo ciò che difettiamo col Sapere!
Davvero Grazie. Guido.

[elmar]

I getti relativistici e le particelle ultraenergetiche – da dove viene la loro energia?

Elmar Pfletschinger

costanti usati nei calcoli di questa relazione :
constante di gravità: 6,67259E-11 Nm^2/kg^2
velocità luce c: 299.792.458 m/s
massa protoni 1,6726231E-27 kg
conversione J/eV 1,6020E-19 J/eV

Introduzione: Le osservazioni.
Getti relativistici con velocità che vanno dal 97,5% al 99,5% della velocità della luce sono stati osservati. La loro origine è nel centro di galassie attive, nei quasar o in un’ipernova. In tutti i casi provengono da buchi neri (getti a velocità inferiore vengono osservati provenienti da stelle a neutroni – anche questi verranno discussi qui di seguito). I getti sono simmetrici e a collimazione stretta. Il 97,5% della velocità della luce corrisponde a un energia di 2,007 GeV per massa protonica, per il 99,5% c si ottiene un energia di 6,025 GeV per massa protonica.

L’energia cinetica è stata calcolata usando la correzione relativistica per la massa delle particelle

m = m0 * 1/(1 – v2 / c2 ) (1)

Particelle ultraenergetiche con energie fine a 3x1020 eV sono stati osservati. In tre casi buchi neri sono stati identificati come origine di queste particelle.

L’energia necessaria per sfuggire da un buco nero

Di solito si sostiene che la sorgente di energia dei getti stia nel disco di accrescimento che ruota intorno al buco nero. Però è ben noto che l’energia disponibile nel disco di accrescimento è insufficiente ad alimentare i getti. Quindi è stata elaborata una teoria in cui il buco nero rotante trasferisce energia al getto. Il meccanismo in dettaglia non è noto. Le teorie basate sul trasferimento di energia dal buco nero rotante e i modelli magneto idrodinamiche hanno problemi a spiegare la simmetria a la collimazione dei getti. In fondo è sempre chiaro che il meccanismo che crea i getti non è noto.

La velocità di fuga dalla superficie di Schwarzschild è uguale alla velocità della luce. Dato che nessuna particella con massa a riposo può raggiungere la velocità della luce, nessuna particella può fuggire dalla superficie di Schwarzschild di un buco nero. Questo vale per qualsiasi energia di partenza. L’energia cinetica di partenza contribuisce secondo E = mc2 di Einstein in maniera proporzionale all’attrazione gravitazionale, la velocità di fuga resta invariata. Questo vuole dire che i getti o le particelle ultraenergetiche non potrebbero venire dalla superficie di Schwarzschild. L’attrazione gravitazionale azzererebbe la loro energia cinetica qualsiasi sia il valore di partenza.

Una considerazione sulle energie disponibili in un disco di accrescimento intorno a un buco nero

Materia che cade verso un buco nero può subire storie diverse tra di loro. Se questa materia è poco densa, in maniera che non ci siano interazioni tra le particelle, queste seguono percorsi gravitazionali. Finché non si avvicinano più di circa 2,5 volte il raggio di Schwarzschild al buco nero, essi lasceranno l’ambiente nella stessa maniera in cui sono entrati. Se avevano un’energia cinetica di partenza non zero, seguono un’iperbole.
Se si avvicinano di più al buco nero, in seguito alla curvatura dello spazio, vengono intrappolate e cascano nel buco nero in una spirale. C’è un problema con la teoria. Se la velocità di fuga dalla superficie di Schwarzschild è uguale alla velocità della luce, un particella che casca verso il buco nero senza alcuna interazione, cioè senza alcuna perdita di energia, la sua energia cinetica, quando arriva alla superficie di Schwarzschild, sarà infinita con in più l’energia cinetica di partenza. Un valore infinito in fisica crea sempre un po’ di attenzione – da qualche parte ci deve essere un errore.

Se la densità della materia che casca verso il buco nero è alta, ci saranno interazioni (=attrito) tra le particelle. questo è causa di perdita di energia cinetica, che viene trasformata in energia termica. La perdita di energia cinetica permette alla materia di entrare in orbite intorno al buco nero, si forma il disco di accrescimento. Una parte dell’energia termica viene persa per radiazione. Si può calcolare il limite superiore possibile di temperatura nel disco di accrescimento, che corrisponde all’energia cinetica mancante senza perdite per radiazione.

L’energia cinetica in un’orbita alla distanza r dal centro di gravitazione è:


E kin = 0,5 mM g /r (2)

dove
m = massa in orbita
M = massa centrale
g = constante di gravità
r = raggio dell’orbita

La velocità nell’orbita è

v = radq(Mg/r) (3)
radq= radice quadrata
Per lo scenario intorno a un buco nero torna utile esprimersi in termini di rapporto r/rs dove rs è il raggio di Schwarzschild

rs = 2gM/c2 (4) Schwarzschild radius

L’energia cinetica in un orbita diventa

E kin = 0,25 m c2 /( rs / r ) (5)

La velocità nell’orbita diventa

v = c radq(0,5/( rs / r )) (6)


Se consideriamo l’ultima orbita stabile nell’anello di accrescimento, a 2,5 volte il raggio di Schwarzschild, otteniamo i seguenti valore:

velocità in orbita a 2,5 Schwarzschild radii 134.071.263 m/s

L’energia cinetica corrispondente è di 117,30 MeV per massa di protone

Presumendo che la materia caschi dalla superficie interna del disco di accrescimento, a 2,5 volte il raggio di Schwarzschild, verso il buco nero, in una spirale rapida, senza il tempo necessario per la formazione di un equilibrio termico, possiamo calcolare la massima velocità possibile con la quale la materia arriva alla superficie di Schwarzschild. Il risultato è il 75% della velocità della luce. L’energia corrispondente è di 398,8 MeV per massa di protone.
Il risultato: L’energia cinetica disponibile nel disco di accrescimento in vicinanza del raggio di Schwarzschild è troppo bassa per ordini di grandezza per alimentare I getti relativistici.

Anche l’energia termica è troppo basso. In più l’energia termica non può essere convertita in energia del getto. Sarebbe una violazione del secondo principio della termodinamica. Secondo questo principio l’entropia in un sistema chiusa può solo aumentare. Nel caso di conversione di energia termica dell’anello di accrescimento l’entropia si ridurrebbe alla grande.


Quali sono le fonti di energia nell’universo?

L’energia nucleare, l’interazione forte tra nucleoni, ha come ordine di grandezza l’energia di legame di un nucleone nel nucleo, cioè circa 8 MeV per nucleone. Si conclude che l’energia nucleare è insufficiente a fornire l’energia dei getti che va da 2000 a 6000 MeV per nucleone. Per le particelle ultraenergetiche di 1020eV mancano 13 ordini di grandezza.

Nella vita di una stella grande, alla fine l’energia gravitazionale vince sull’energia nucleare. Siamo al collasso gravitazionale, detto supernova. Si presume che livelli altissimi di energia possono essere liberati in questo fenomeno. Invece ci sono limiti precisi. Durante il collasso di una stella massiccia (oltre 30 masse solari) si forma un buco nero al centro della stella. Materia cadendo nel buco nero può arrivare al massimo a un’energia cinetica di circa 400 MeV per massa protonica (vedasi sopra). Questo, più un po’ di energia termica è il massimo di energia disponibile nel ipernova, al di fuori del buco nero. L’energia dei getti che nascono in questa occasione (analisi del GRB 030329) però è più alta per circa un ordine di grandezza.

Si può obiettare che anche sulla terra siamo in grado di produrre getti di particelle con GeV di energia. Lo facciamo con sincrotroni. La seconda legge della termodinamica non viene violata perché simultaneamente al getto produciamo energia di scarto in maniera fuori da qualsiasi rapporto ragionevole con l’energia del getto. Poi usiamo attrezzature di centinaia di tonnellate di massa per produrre getti di milligrammi per anno.
Questo però non è cattiva tecnologia, ma conseguenza termodinamica inevitabile.

Ciclotroni cosmici di alta efficienza e alta efficacia, come sarebbero necessari per creare getti e particelle ultraenergetiche mancano di qualsiasi tentativo di spiegazione su come possano funzionare. Poi nessun acceleratore terrestre è in grado di produrre getti simmetrici.

L’output energetico in radioonde dai quasar è stato stimato più alto dell’energia nucleare contenibile nel loro volume. La sorgente delle radioonde sono i getti. Questo vuol dire che i getti non possono nascere in processi a basso rendimento termico. Termodinamicamente impossibile.

Un ipotesi idonea a chiarire l’origine e le caratteristiche dei getti relativistici e della particelle cosmiche ultraenergetiche

Il cuore di questa ipotesi è che tra material e antimateria esiste repulsione gravitazionale. (Steven Hawkins esprime una cosa simile, ritenendo che all’interno di buchi neri nascondo coppie di particelle e antiparticelle, di cui una viene espulsa dal buco nero, si chiama radiazione di Hawkins, non entra nel dettaglia del meccanismo dell’espulsione).

Antiprotoni e positroni (=antielettroni) vengono prodotti regolarmente nei laboratori terrestri, però nessuno ha mai verificato si cascano in su o in giù. In fatti in condizioni terrestri le forze gravitazionali su singole particelle sono così piccole in confronto a interazioni elettromagnetiche che l’esperimento potrebbe essere molto difficile o impossibile. Questo vale anche per il neutrone o l’antineutrone (che viene prodotto in laboratori terrestri). Il neutrone ha un momento magnetico. L’interazione di questo momento magnetico con campi magnetici ambientali, anche azzerati con mezzi terrestri è comunque dominante.

Esperimenti per la verifica dell’effetto gravitazionale su antimateria non sono in programma, la convinzione del mondo scientifico che essi caschino in giù è assoluta, tanto da non chiedere conferme sperimentali.

L’ipotesi di una gravità repulsiva tra materia e antimateria invece è compatibile con una serie di fenomeni astronomici, molto di più di teorie convenzionali.

L’ipotesi è che ogni particella ha un comportamento gravitazionale specifico in maniera simile al comportamento elettrostatico.



Tabella 1. Attribuzione di effetti gravitazionali:
sorgente target effetto gravitazionale
materia materia attrazione
antimateria antimateria attrazione
materia antimateria repulsione
antimateria materia repulsione
materia fotoni attrazione
antimateria fotoni attrazione
fotoni materia nessun effetto
fotoni antimateria nessun effetto
fotoni fotoni nessun effetto
material o antimateria particelle che sono anche la propria antiparticella come il p0 attrazione
particelle che sono anche la propria antiparticella come il p0
qualsiasi
nessun effetto

In linea di massima I fotoni non possono essere sorgente di gravità. Sarebbe possibile unicamente in un cono posteriore. Questo perché viaggiano alla velocità della luce e la gravità pure. Probabilmente non sono sorgente di effetto gravitazionale.

Nella formazione di una coppia di particella e antiparticella da un fotone, con la teoria attuale si nota una discontinuità dell’effetto gravitazionale. La coppia creata ha un effetto isotropo, mentre l’effetto del fotone che li creati are fortemente anisotropo o nullo.

Nell’ipotesi della repulsione gravitazionale tra materia e antimateria e con effetto gravitazionale nullo del fotone come sorgente, la creazione di una coppia di particella e antiparticella crea un effetto gravitazionale invariante. Il fotone prima non mostra effetto gravitazionale e l’effetto gravitazionale della coppia si compensa a zero. Un argomento analogo tiene per il decadimento di un a p0 in due fotoni. Questo ragionamento non è una prova, ma se crediamo in una certa eleganza della natura, è favorevole.

Analisi di quello che accade in un disco di accrescimento e nel buco nero nell’ipotesi di una repulsione gravitazionale tra material e antimateria

In un disco di accrescimento, man mano che la materia si avvicina al centro, energia gravitazionale viene convertita in energia termica. Al raggio di Schwarzschild l’energia termica è di circa 250 MeV per massa protonica (calcolare la temperatura e quindi l’effettiva quantità d’energia per grado di libertà è difficile perché non è facile conoscere i gradi di libertà). Fontoni sono parte dell’equilibrio termico. Fotoni che interagiscono con qualcosa producono coppie di particelle di materia e antimateria. Fuori dal raggio di Schwarzschild l’energia termica è sufficiente per creare elettroni e positroni, che in quantità grande fanno parte dell’equilibrio termico. L’energia necessaria per creare una coppia di elettrone – positrone è di 1,022 MeV, quindi abbondantemente disponibile. Per produrre una coppia protone – antiprotone o neutrone – antineutrone invece occorrono 1880 MeV. Nel’equilibrio termico fuori dal buco nero questa energia è presente solo in parte minima e quindi una massiccia produzione di protoni e antiprotoni o neutroni e antineutroni fuori dal buco nero non avviene.

Quando la materia cade attraverso la superficie di Schwarzschild (che non è una superficie interagente) sempre più energia gravitazionale è convertita in energia termica, premesso che la materia che cade nel buco nero è abbastanza densa da creare interazioni tra le particelle. In una profondità sotto la sfera di Schwarzschild che è qualcosa come un quarto del raggio di Schwarzschild (effetti relativistici spostano gli eventi qui descritti più verso la superficie) troviamo come parte dell’equilibrio termico sempre più fotoni da 2 GeV, capaci di produrre coppie di protoni – antiprotoni e neutroni – antineutroni. I fotoni nascondo soprattutto come Bremsstrahlung da particelle cariche che passano una vicino all’altra e dal decadimento di mesoni che nascono dall’urto tra particelle.

In questo ambiente, sotto la sfera di Schwarzschild, il campo gravitazionale e il suo gradiente sono estremamente forti e causano una immediata separazione della materia dall’antimateria nel ipotesi di una repulsione gravitazionale tra di loro. Questo ferma l’annichilazione immediata dell’antimateria con la materia. L’antimateria, subendo la repulsione gravitazionale viene espulsa dal buco nero, e viene accelerata secondo la legge di gravità, con un segno inverso del normale (come nel caso della legge di Coulomb). Questo è praticamente una spiegazione della radiazione di Hawkins.

L’energia cinetica acquisita, se espulsi da una profondità in cui l’energia gravitazionale trasformata in energia termica è di 2 GeV, viene qualcosa di più di 2 GeV per massa protonica. La velocità diventa il 97,5% della velocità della luce, in perfetta armonia con le osservazioni.

L’anello di accrescimento funge da collimatore per il getto di antimateria, sempre per repulsione gravitazionale.

Antiprotoni espulsi dal buco nero attirano positroni per effetto elettrostatico. I positroni sono disponibili in quantità illimitata, dato che ci vuole 2000 volte meno energia a crearli. I positroni però subiscono una repulsione gravitazionale 2000 volte inferiore e quindi non vengono accelerati alla stessa velocità dei antiprotoni. Nel getto troviamo quindi uno sfasamento deciso tra antiprotoni e positroni. Questo è l’origine di forti oscillazioni assiali nel getto, che funge da emittore di radioonde. La corrente assiale è causa anche di forti campi magnetici. Sono quindi i getti l’origine di campi magnetici e non viceversa.

Getti sono stati osservati con energie decisamente più alte dei 2 GeV per massa protonica, cioè con velocità ben più alte del 97,5% della velocità della luce. Anche questo viene facilmente spiegato nell’ipotesi della repulsione gravitazionale tra materia e antimateria.

Se la densità della materia che cade nel buco nero è bassa, l’equilibrio termico non nasce per mancanza di interazione. La materia cade quindi in profondità maggiore senza la formazione di antimateria. La densità però aumenta con la profondità e arriva a un valore che crea l’equilibrio termico. Adesso la formazione di antimateria avviene in una profondità maggiore nel buco nero e di conseguenza aumenta l’energia cinetica causata dalla repulsione gravitazionale.

A cercare una conferma di questo bisognerebbe cercare una correlazione tra l’energia e l’intensità dei getti. Più è alta l’energia, più dovrebbe essere bassa l’intensità.

Anche l’origine delle particelle ultraenergetiche trova spiegazione in questa ipotesi. Se invece di quantità massiccia di materia sono solo particelle singole a cadere nel buco nero, l’equilibrio termico che comporta la formazione di antimateria nasce solo in grandissima profondità nel buco nero, con proporzionale aumento dell’energia di espulsione. L’energia gravitazionale convertita in energia termica e quindi in formazione di coppie dovrebbe essere miliardi di volte superiore a quella riscontrata alla superficie di Schwarzschild.

Analisi della possibilità di formazione di getti da stelle a neutroni

Guardiamo una stella a neutroni di of 3,6x1030 kg (1,8 masse solari) con un raggio di 6000 m (appena sopra il raggio di Schwarzschild per questa massa). Per materia in caduta dall’infinito verso la stella a neutroni si ottiene un’energia di 418 MeV per massa protonica. Per interazione con la superficie della stella a neutroni (che è decisamente interagente) l’intera energia viene convertita in energia termica. L’energia di 1880 MeV necessaria per la formazione di una coppia protone – antiprotone è presente nella distribuzione termica. Calcolare l’effettivo coefficiente di Bolzmann è difficile perché è difficile risalire alla temperatura.

Gli antiprotoni o antineutroni creati vengono espulsi dalla stella a neutroni. La massima velocità possibile per un getto dalla stella a neutroni come descritta sopra diventa il 94,4% della velocità della luce. Se il raggio della stella a neutroni invece di 6000 m è di 7000 m, la velocità massima raggiungibile diventa il 87,4% della velocità della luce. Avanti gli osservatori.

L’ipotesi della repulsione gravitazionale tra material e antimateria ha conseguenze affascinanti per la spiegazione dell’energia oscura, della material oscura, per il big bang, per la cosmologia in genere, che saranno argomenti di relazioni che seguiranno.

[Simone]

Che bel post didattico!
Devo dire che anche per un profano completo di astronomia queste spiegazioni, scevre di inutili tecnicismi, paiono davvero proficue ed interessanti.
Chi, come me, perde ore al giorno nella decifrazione e nella divulgazione dei fenomeni atmosferici ben può capire il vostro dispiacere nei confronti di un certo "nucleo" di giornalisti divulgativi che più che perseguire l'obbiettivo di informare correttamente il grande pubblico seguono la via della notizia "urlata" e del titolone ad effetto.
Possiamo dire veramente che tutto il mondo è paese!
Forse nella nostra meteorologia questo malcostume è addirittura moltiplicato dal maggior impatto ( nel bene e sopratutto nel male ) che gli eventi atmosferici esercitano sulla vita delle persone.
Ancora complimenti intanto, è davvero un grande piacere leggere questi post! :apll:apll

[Massimiliano]

Che post incredibile!
Grazie mille agli amici astronomi!
E' un grande piacere leggere di queste cose,anche se nella mia ignoranza riesco a seguirvi poco,ma m'impegnerò di più!

[Sergio]

Un grazie a Elmar e Fernando.
Finalmente queste interessantissime dissertazioni sono portate sul forum e non solo via e-mail, dando così la possibilità a tutti e non a soli pochi eletti di goderne. Sperando che durino a lungo e che tanti altri si inseriscono (se ci riescono:confused:) vi saluto.

[Paolo]

Un caro benvenuto e buona discussione agli amici del CAV, Fernardo, Elmar, Guido e tutti gli altri che stanno arrivando o che già sono arrivati sul forum!

[Wetter_Sergy]

Cavolacci, che razza di cervelloni sono intervenuti....leggere questo post fa venire i brividi, perchè tocca l'apice più irraggiungibile dello scibile umano.
Sinceramente non oso aggiungere altro, certo che il redshitf (che prova l'attuale espansione continua dell'universo) è una grande prova a favore della teoria del Big Bang.
Ma tale post mette in risalto, giustamente, anche i limiti della teoria, che, come dice la parola stessa, è un'ipotesi per spiegare la nascita del cosmo, ma non certo una certezza.
S

[elmar]

vedasi allegato

[Luca46]

Molto interessante.

Praticamente l'unica spiegazione al formarsi di getti relativistici è legata all'esistenza dei buchi neri e alla creazione di materia e antimatria in essi.