Categoria: Fisica
E se il Big Bang non fosse l’inizio? La nostra ricerca suggerisce che tutto potrebbe essere iniziato all’interno di un buco nero
di Enrique Gaztanaga (The Conversation, 3 giugno 2025)
Il Big Bang viene spesso descritto come la nascita esplosiva dell’universo, un momento unico in cui spazio, tempo e materia hanno preso vita. Ma se questo non fosse affatto l’inizio? E se il nostro universo fosse emerso da qualcos’altro, qualcosa di più familiare e radicale allo stesso tempo?
In un nuovo lavoro, pubblicato su Physical Review D, i miei colleghi ed io proponiamo un’alternativa sorprendente. I nostri calcoli suggeriscono che il Big Bang non è stato l’inizio di tutto, ma piuttosto il risultato di un collasso gravitazionale che ha formato un buco nero super-massiccio, seguito da un rimbalzo al suo interno.
Questa idea, che chiamiamo “universo buco nero”, offre una visione radicalmente diversa delle origini del cosmo, ma si basa interamente sulla fisica conosciuta e sulle osservazioni.
L’attuale modello cosmologico standard, basato sul Big Bang e sull’inflazione cosmica (l’idea che l’universo primordiale sia cresciuto rapidamente di dimensioni), ha avuto un notevole successo nello spiegare la struttura e l’evoluzione dell’universo. Ma ha un prezzo: lascia senza risposta alcune delle domande fondamentali.
Innanzitutto, il modello del Big Bang inizia con una singolarità, un punto di densità infinita in cui le leggi della fisica non sono più valide. Non si tratta solo di un inconveniente tecnico, ma di un problema teorico profondo che suggerisce che non comprendiamo affatto l’inizio.
Per spiegare la struttura su larga scala dell’universo, i fisici hanno introdotto una breve fase di rapida espansione nell’universo primordiale, chiamata inflazione cosmica, alimentata da un campo sconosciuto con strane proprietà. In seguito, per spiegare l’accelerazione dell’espansione osservata oggi, hanno aggiunto un’altra componente “misteriosa”: l’energia oscura.
In breve, il modello standard della cosmologia funziona bene – ma solo introducendo nuovi ingredienti che non abbiamo mai osservato direttamente. Nel frattempo, le domande più elementari rimangono aperte: da dove viene tutto? Perché ha avuto inizio in questo modo? E perché l’universo è così piatto, liscio e grande?
Nuovo modello
Il nostro nuovo modello affronta queste domande da un’angolazione diversa, guardando all’interno anziché all’esterno. Invece di partire da un universo in espansione e cercare di risalire alla sua origine, consideriamo ciò che accade quando un insieme estremamente denso di materia collassa sotto la forza di gravità.
Si tratta di un processo familiare: le stelle collassano in buchi neri, che sono tra gli oggetti più conosciuti della fisica. Ma ciò che accade all’interno di un buco nero, al di là dell’orizzonte degli eventi da cui nulla può sfuggire, rimane un mistero.
Nel 1965, il fisico britannico Roger Penrose dimostrò che, in condizioni molto generali, il collasso gravitazionale deve portare a una singolarità. Questo risultato, esteso dal fisico britannico Stephen Hawking e da altri, è alla base dell’idea che le singolarità – come quella del Big Bang – siano inevitabili.
L’idea ha contribuito a far vincere a Penrose il premio Nobel per la fisica 2020 e ha ispirato il bestseller mondiale di Hawking “Dal big bang ai buchi neri. Breve storia del tempo”. Ma c’è un problema. Questi “teoremi sulle singolarità” si basano sulla “fisica classica”, che descrive gli ordinari oggetti macroscopici. Se includiamo gli effetti della meccanica quantistica, che governa il minuscolo microcosmo degli atomi e delle particelle, come è necessario a densità estreme, la storia potrebbe cambiare.
Nel nostro nuovo articolo dimostriamo che il collasso gravitazionale non deve necessariamente terminare con una singolarità. Abbiamo trovato una soluzione analitica esatta – un risultato matematico senza approssimazioni. I nostri calcoli mostrano che, avvicinandosi alla potenziale singolarità, le dimensioni dell’universo cambiano come una funzione (iperbolica) del tempo cosmico.
Questa semplice soluzione matematica descrive come una nube di materia che sta collassando possa raggiungere uno stato ad alta densità e poi rimbalzare verso l’esterno in una nuova fase di espansione.
Ma come mai i teoremi di Penrose vietano questi risultati? Tutto dipende da una regola chiamata principio di esclusione quantistica, secondo la quale due particelle identiche, dette fermioni, non possono occupare lo stesso stato quantistico (come il momento angolare, o “spin”).
Dimostriamo che questa regola impedisce alle particelle della materia che collassa di venire compresse all’infinito. Di conseguenza, il collasso si arresta e si inverte. Il rimbalzo non solo è possibile, ma è inevitabile nelle giuste condizioni.
E soprattutto, questo rimbalzo avviene interamente nell’ambito della relatività generale, che si applica su grandi scale come le stelle e le galassie, combinata con i principi fondamentali della meccanica quantistica: non sono necessari campi esotici, dimensioni extra o fisica speculativa.
Ciò che emerge dopo il rimbalzo è un universo straordinariamente simile al nostro. Ancora più sorprendente è il fatto che il rimbalzo generi naturalmente le due fasi distinte di espansione accelerata – l’inflazione e l’energia oscura – prodotte non da un campo ipotetico ma dalla fisica del rimbalzo stesso.
Previsioni verificabili
Uno dei punti di forza di questo modello è che fa previsioni verificabili. Prevede una quantità piccola ma non nulla di curvatura spaziale positiva – il che significa che l’universo non è esattamente piatto, ma leggermente curvo, come la superficie della Terra.
Si tratta semplicemente di un relitto del piccolo eccesso di densità iniziale che ha innescato il collasso. Se le osservazioni future, come la missione Euclide attualmente in corso, confermassero una piccola curvatura positiva, sarebbe un forte indizio che il nostro universo è effettivamente emerso da un tale rimbalzo. Inoltre, fa previsioni sulla velocità di espansione dell’universo attuale, cosa che è già stata verificata.
Questo modello non risolve solo i problemi tecnici della cosmologia standard. Potrebbe anche gettare nuova luce su altri profondi misteri nella nostra comprensione dell’universo primordiale, come l’origine dei buchi neri supermassicci, la natura della materia oscura o la formazione ed evoluzione gerarchica delle galassie.
Queste domande saranno esplorate da future missioni spaziali come Arrakihs, che studieranno caratteristiche diffuse come gli aloni stellari (una struttura sferica di stelle e ammassi globulari che circondano le galassie) e le galassie satelliti (galassie più piccole che orbitano attorno a galassie più grandi) che sono difficili da rilevare con i telescopi tradizionali dalla Terra e ci aiuteranno a capire la materia oscura e l’evoluzione delle galassie.
Questi fenomeni potrebbero anche essere collegati a oggetti compatti relitti – come i buchi neri – che si sono formati durante la fase di collasso e sono sopravvissuti al rimbalzo.
L’universo dei buchi neri offre anche una nuova prospettiva sul nostro posto nel cosmo. In questo quadro, il nostro intero universo osservabile si trova all’interno di un buco nero formatosi in un universo “genitore” più grande.
Non siamo speciali, così come non lo era la Terra nella visione geocentrica del mondo che portò Galileo (l’astronomo che nel XVI e XVII secolo suggerì che la Terra gira intorno al Sole) agli arresti domiciliari.
Non stiamo assistendo alla nascita di tutto dal nulla, ma piuttosto alla continuazione di un ciclo cosmico, plasmato dalla gravità, dalla meccanica quantistica e dalle profonde interconnessioni tra loro.
Aerodinamica – Portanza di un’ala
I tre documenti forniscono una spiegazione chiara e approfondita su come si genera la portanza sull’ala di un aereo, offrendo anche una comprensione precisa delle ragioni per cui l’interpretazione della portanza basata sull’equazione di Bernoulli risulta errata.
Un neutrino è più grande di un nucleo atomico
di Manon Bischoff/Spektrum der Wissenschaft
La prima misura diretta della funzione d’onda della sfuggente particella rivela che questa è di diversi ordini di grandezza più grande di un nucleo atomico. Si tratta di un punto di partenza importante per i futuri studi sui neutrini
Da decenni i fisici inseguono i segreti delle elusive particelle. Tra le altre cose, questi neutrini potrebbero spiegare perché nel nostro mondo c’è molta più materia che antimateria. Tuttavia, queste particelle elementari estremamente leggere non hanno carica elettrica e quindi interagiscono a malapena con l’ambiente circostante. Per questo motivo è così difficile catturarle e analizzarle con i rilevatori. Ora, un gruppo di ricerca guidato da Joseph Smolsky della Colorado School of Mine è riuscito per la prima volta a determinare direttamente le dimensioni di un neutrino. Come riferiscono nel loro articolo pubblicato su “Nature”, l’elusiva particella è significativamente più grande del previsto.
A differenza degli oggetti classici come un pallone da calcio, le particelle quantistiche non hanno una forma fissa. Le loro dimensioni sono invece determinate dalla funzione d’onda. Precedenti ricerche condotte nel 2017 e nel 2021 sono state in grado di determinare le dimensioni del neutrino solo indirettamente, fornendo quindi risultati molto imprecisi. Come hanno scoperto i gruppi di ricerca, la funzione d’onda potrebbe essere significativamente più piccola di un nucleo atomico o addirittura fino a diversi metri, il che corrisponde a un intervallo di 13 ordini di grandezza.
Smolsky e i suoi colleghi hanno ora trovato un modo per indagare direttamente le dimensioni del neutrino. Per farlo, hanno analizzato il decadimento radioattivo del berillio in litio negli acceleratori di particelle. In questo processo, un elettrone del berillio si combina con un protone nel nucleo e produce un neutrone. Questo emette anche un neutrino, che i ricercatori hanno catturato e analizzato utilizzando rilevatori di neutrini altamente sensibili.
“È stato sorprendente”, ha commentato Joseph Smolsky, fisico.
Il gruppo ha scoperto che il neutrino aveva una dimensione di almeno 6,2 picometri, “il che implica che il sistema allo stato finale è localizzato a una scala di 1000 volte più grande del nucleo stesso”, come scritto nello studio. “È stato piuttosto sorprendente”, ha dichiarato Smolsky a “New Scientist”. “Quando penso al processo (radioattivo), lo immagino all’interno del nucleo perché l’elettrone deve sovrapporsi al nucleo. Ma il limite che abbiamo mostrato dice che il neutrino è in realtà molto più grande del nucleo stesso quando esce”. Questa nuova scoperta aiuterà gli esperti a migliorare i futuri rivelatori di neutrini per svelare gli ultimi segreti di queste sfuggenti particelle.
https://www.spektrum.de/news/wie-gross-ist-ein-neutrino/2253879
Neutrino record da 220 PeV al largo di Portopalo
Un articolo pubblicato oggi su Nature dagli scienziati della Collaborazione Km3NeT riporta l’osservazione di un evento straordinario: un muone prodotto da un neutrino cosmico ad altissima energia, circa trenta volte più energetico di qualsiasi altro neutrino rilevato finora. A registrarne il passaggio, il 13 febbraio 2023, è stato uno dei due array di rivelatori sottomarini di Km3Net.
Neutrino record da 220 PeV al largo di Portopalo – MEDIA INAF
Energia oscura o «Tela di Ragno», chi preme davvero l’acceleratore sull’espansione dell’Universo? Il nuovo studio
di Tommaso Nicolò
Secondo un recente lavoro dell’Università di Canterbury in Nuova Zelanda a causare l’accelerazione sarebbero i grandi vuoti di materia presenti nello spazio capaci di modificare lo scorrere del tempo
Con l’avvento dei grandi telescopi gli astronomi hanno via via gettato più in là il loro sguardo, arrivando ad osservare antiche galassie, custodi ai confini dello spazio-tempo dei segreti del cosmo. Uno dei misteri che questi enormi universi isola ci hanno silenziosamente mostrato, senza però svelarcene la natura, è l’accelerazione nella velocità di espansione dell’Universo. Quello che gli astronomi hanno notato nello specifico è che le galassie più distanti sembrano possedere una velocità di allontanamento superiore. Nel corso degli anni si è cercata una risposta a questo arcano e la più accreditata vede come protagonista un’altra entità misteriosa: l’energia oscura. Un team di ricercatori dell’Università di Canterbury, Nuova Zelanda, ha però sviluppato un modello cosmologico differente che spiegherebbe il fenomeno dell’espansione accelerata come la conseguenza degli effetti relativistici causati dalla distribuzione non uniforme della materia nel cosmo. Nello specifico, i ricercatori hanno testato un modello cosmologico chiamato timescape, ovvero scenario temporale, su ben 1536 Supernove del tipo Ia (uno a), che in astronomia vengono definite candele standard poiché grazie alle loro caratteristiche possiamo determinarne con precisione la distanza dalla Terra. Sulla base dei dati raccolti il modello timescape sembrerebbe spiegare meglio le osservazioni rispetto al più celebre e accreditato modello Lambda Cold Dark Matter.
Il modello Lambda Cold Dark Matter (ꓥ-CDM) e i suoi problemi
Nato alla fine degli anni Novanta del secolo scorso il Lambda Cold Dark Matter (ꓥ-CDM) è un modello cosmologico che prevede l’introduzione nell’equazione della relatività generale di Einstein di una costante cosmologica, detta Lambda, per spiegare l’espansione accelerate del nostro Universo. Secondo questa teoria la costante è da identificarsi proprio con l’energia oscura capace di agire su grandi distanze come una forza repulsiva, spingendo così il piede sull’acceleratore nel processo di espansione dell’Universo. Il problema di fondo di questo modello, però, è che si regge su di una approssimazione e cioè che nell’intero cosmo, su vasta scala, la materia sia distribuita in modo uniforme. Le recenti osservazioni, tuttavia, ci hanno mostrato uno scenario in parte diverso, offrendoci una mappa dell’universo tutta nuova: la materia si addensa in filamenti fatti di ammassi di galassie gli uni interconnessi agli altri da dei nodi. Una rete cosmica, una tela di ragno, in cui i fili fanno da confine e si alternano a spazi vuoti, privi di materia e con diametri di svariati miliardi di anni luce.
Il modello alternativo
Proprio questi vuoti cosmici, secondo il modello Timescape, potrebbero spiegare l’accelerazione nell’ espansione dell’universo senza dover necessariamente ricorrere all’energia oscura, ma basandosi esclusivamente sulla relatività. Secondo la teoria di Einstein, infatti, dato un sistema di riferimento, il tempo scorre diversamente a seconda che ci sia una maggiore o minore concentrazione di massa ed energia. In altre parole, se osservassimo in direzione dei filamenti ricchi di galassie noteremmo che il tempo scorre lentamente, mentre puntando i telescopi in direzione degli spazi vuoti scopriremmo l’esatto opposto, qui il tempo accelera. Per meglio chiarire il concetto, possiamo immaginare il tempo come un uomo e l’universo come un insieme di strade da percorrere. Nel primo caso, quello dei filamenti di galassie, il tragitto è affollato, pieno di persone, nel secondo, invece, è completamente deserto. Va da sé che il nostro uomo immaginario riuscirà a muoversi meglio e più velocemente nel secondo tragitto. il professor David Wiltshire a capo della ricerca ha affermato: «I risultati mostrano che non abbiamo bisogno dell’energia oscura per spiegare perché l’Universo si espande a un ritmo accelerato. L’energia oscura è un’errata interpretazione delle variazioni nell’energia cinetica dell’espansione, che non è uniforme in un Universo irregolare come quello in cui viviamo realmente. La ricerca fornisce prove convincenti capaci, forse, di risolvere molte domande riguardanti le principali stranezze del nostro cosmo in espansione»
Il ruolo del telescopio Euclid
Sebbene entusiasmante, lo studio non è certo esaustivo e necessita di ulteriori dati da analizzare e prove a supporto. Un importante contributo in questa direzione arriverà dal telescopio spaziale Euclid lanciato dall’Esa nel luglio del 2023 e che dal novembre dello stesso anno ha iniziato a mappare il cielo con lo scopo di creare la più ampia mappa 3D del nostro universo. Osservando più di un miliardo di galassie e studiandone la posizione precisa saprà dirci alla fine chi aveva ragione.
Esercizi di fisica per la 3G
Moto armonico
- Una massa di 0,5 kg è attaccata a una molla con costante elastica 200 N/m. La massa viene allontanata di 0,1 m dalla posizione di equilibrio e poi rilasciata. a) Qual è la frequenza angolare del moto armonico? b) Qual è l’energia potenziale massima immagazzinata nella molla? c) Qual è la posizione della massa dopo t = 0,1 s? [20 rad/s; 1 J; -0,0416 m]
- Un pendolo semplice è costituito da una massa di 1 kg legata ad una corda di lunghezza 2 m; viene spostato di un angolo di 15° dalla verticale e lasciato andare. a) Qual è il periodo del pendolo? b) Qual è l’energia potenziale massima quando il pendolo è spostato di 15°? [2,83 s; 0,669 J]
Moto relativo
- Un aereo si trova 50 km a Nord rispetto a Torino e sta viaggiando con una velocità di 950 km/h rispetto all’aria in una direzione che forma un angolo di 35° verso Est rispetto alla direzione Nord. Supponi che un vento con velocità 15 m/s soffi in direzione Sud-Est. Calcola la velocità dell’aereo rispetto al suolo e la sua posizione dopo mezz’ora ora di volo. [261,70 m/s 51,76°; 291,54 km E 420,00 km N]
- Una barca sta navigando con una velocità di 4 m/s rispetto all’acqua. La barca deve attraversare un fiume, ma c’è una corrente che scorre da Ovest verso Est con una velocità di 2 m/s. La larghezza del fiume è di 150 metri. a) Calcola l’angolo che la barca deve mantenere rispetto alla direzione Nord per approdare sull’altra riva in un punto posto di fronte al punto di partenza. b) Calcola il tempo di attraversamento sapendo che la larghezza del fiume è di 150 metri. [N 30° O; 43,3 s]
- Un’auto si muove lungo una curva circolare di raggio R = 50 m. Un passeggero ha appeso un peluche di massa 25 g allo specchietto retrovisore dell’auto. Il peluche forma un angolo di 36° rispetto alla verticale. a) Rappresenta graficamente tutte le forze che agiscono sul peluche nel sistema di riferimento dell’auto. b) Calcola l’accelerazione centripeta alla quale è soggetta l’auto in curva. c) Determina la velocità dell’auto. [7,2 m/s²; 38,7 m/s]
Principi di conservazione
- Un razzo di massa 500,75 kg viene spinto da un motore che esercita una forza costante di 2.345,50 N per un tempo di 12,3 s. Il razzo ha una velocità iniziale di 18,6 m/s. a) Calcola l’impulso ricevuto dal razzo. b) Calcola la quantità di moto finale del razzo. [28835,85 N·s; 11688,45 kg·m/s]
- Un carrello di massa 320,5 kg in moto con velocità 5 m/s è soggetto a una forza variabile nel tempo, descritta dalla seguente funzione: F(t) = 1200 + 150,75t. Calcola l’impulso totale ricevuto dal carrello in un intervallo di tempo di 6,5 s e la sua velocità finale. [109,80 N·s; 39,29 m/s]
Calibro virtuale
Questa semplice applicazione funzionante in ambiente Windows permette di imparare l’utilizzo del calibro ventesimale. È possibile nascondere il valore della misura, spostare il calibro con i pulsanti Up-Down 
dei millimetri e dei ventesimi di millimetro e poi provare a leggere il valore sul nonio. Visualizzando nuovamente il valore della misura si può effettuare il controllo della correttezza della lettura.
Download del file ZIP: Calibro.zip
Potenze di dieci
Un viaggio immaginario dall’infinitamente grande all’infinitamente piccolo scalando una potenza di 10 ogni 10 secondi. Dai confini dell’Universo all’interno degli atomi.
Lagrange e il problema dei tre corpi
Si chiama Il Problema dei Tre Corpi, una delle sfide più difficili della matematica e della meccanica celeste. Tenta di risolverlo nel 1772 un genio italiano, Luigi Lagrange, che aveva fondato giovanissimo l’Accademia delle Scienze di Torino.
Come si muovono nello spazio due corpi che si attraggono, secondo la legge della gravitazione universale, ad esempio la Terra e il Sole? Newton lo spiega, però si ferma. Cosa succede invece se i corpi sono tre? “The Three Body Problem” ora ispira romanzi e serie di fantascienza ma Lagrange, due secoli e mezzo fa, per questo problema inventa una soluzione che anticipa anche l’era spaziale.
Immagina che il terzo corpo sia piccolissimo, fa i calcoli e scopre cinque punti dove il terzo corpo rimane in equilibrio. Sono i Punti Lagrangiani, oggi usati da tutte le agenzie spaziali del mondo perché offrono un parcheggio sicuro e stabile agli strumenti che osservano l’universo. Nel punto L1 ad esempio vengono collocate le sonde che studiano il Sole. Nel punto L2 vanno i telescopi, come il gigantesco James Webb, che stanno svelando il cosmo come mai prima. Quando Luigi Lagrange scoprì i “parcheggi spaziali” e risolse, in un caso, “Il Problema dei Tre Corpi” niente di tutto ciò era nemmeno immaginabile. Ma questo è il Genio.
Questo e altri video su: www.accademiadellescienze.it
