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martedì 8 ottobre 2019

Storia di una radiazione

La storia è abbastanza nota ed è stata scritta in varie occasioni, ma forse vale la pena provare a riassumerla. Dopo il rilascio della teoria della relatività generale di Albert Einstein, l'interesse verso il modello del fisico teorico tedesco produsse un bel po' di idee. Il teorico russo Alexander Friedmann fu tra i primi ad affrontare le equazioni della relatività generale, scoprendo che l'universo descritto da tali equazioni era dinamico(1). In effetti scoprì tre distinti universi: uno aperto, in cui era prevista un'espansione infinita dello spaziotempo; uno piatto, in cui l'equilibrio tra espansione e gravità avrebbe alla fine portatto comunque l'universo alla morte termica; e uno chiuso, in cui a un certo punto l'espansione si sarebbe invertita trasformandola in una contrazione. In tutti e tre i casi l'universo aveva un inizio in una singolarità, ovvero una situazione di densità ed energia infinite. Tutto questo racchiuso nella famosa equazione di Friedmann.
Nel frattempo anche il gesuita Georges Lemaitre si stava interessando a un universo in evoluzione, giungendo alla fine a conclusioni analoghe a quelle del fisico russo. In effetti il suo lavoro venne pubblicato nel 1927(2), cinque anni più tardi l'articolo di Friedmann, che nel frattempo era morto due anni prima a causa di una febbre tifoidea non diagnosticata e probabilmente contratta in Crimea durante il viaggio di nozze. A differenza del russo, Lemaitre introdusse nel suo modello anche i concetti di spostamento verso il rosso (redshift) e le idee più recenti su radiazione e materia.
Nel frattempo i modelli di Friedmann spinsero Einstein a introdurre nelle sue equazioni una costante cosmologica per rendere l'universo statico: secondo la concezione del fisico tedesco l'universo non poteva evolvere e doveva essere uguale a se stesso nel passato così come nel futuro. Solo che nel 1929, due anni dopo la pubblicazione del modello di Lemaitre, l'astronomo Edwin Hubble non solo dimotrò inequivocabilmente che l'universo conteneva altre galassie oltre la Via Lattea, ma che queste galassie si stavano (e si stanno) allontanando da noi: l'universo appariva in espansione proprio come predetto dai modelli di Friedmann e Lemaitre!
Nonostante la scoperta di Hubble, però, non si iniziò a parlare di teoria del Big Bang fino a che non entrò in scena uno degli allievi di Friedman, George Gamow.
L'origine degli elementi
Siamo sul finire degli anni Quaranta, e l'esuberante fisico russo aveva sviluppato insieme con Ralph Alpher un rivoluzionario articolo in cui si suggeriva che la maggior parte dell'idrogeno e dell'elio presenti nell'universo (e in minori percentuali anche alcuni degli elementi più pesanti) fosse stata prodotta all'inizio dell'espansione cosmica. L'articolo che diede il via al tutto era il famoso articolo alpha-beta-gamma(3), dalle iniziali dei cognomi dei tre firmatari: Gamow, infatti, affascinato dal parallelo con le prime tre lettere dell'alfabeto greco, chiese a Hans Bethe di firmare l'articolo. La cosa, ovviamente, non piacque ad Alpher, nonostante a parziale risarcimento il giovane fisico fosse primo firmatario dell'articolo e, soprattutto, firmatario di numerosi articoli da autore unico sull'argomento. Dal suo punto di vista, infatti, l'inserimento di Bethe nella lista degli autori avrebbe sminuito il lavoro compiuto e impedito di ottenere il giusto riconoscimento.
Tra tutti i suoi articoli, alcuni vennero realizzati in collaborazione con Robert Herman(4): c'era la necessità di determinare delle previsioni in grado di poter essere verificate sperimentalmente, e il modello che era stato sviluppato da Alpher insieme con Gamow prevedeva l'esistenza ai giorni attuali di una radiazione diffusa in tutto l'universo. Alpher ed Herman, in una serie di articoli, ne calcolarono la temperatura: proposero, in effetti, due valori, il primo di 5 K, molto più corretto del valore reale, il secondo di 28 K, basato però su una misurazione errata della costante di Hubble.
Come in un forno a microonde
Il risultato dei due, però, non ebbe grande risalto presso la comunità degli astrofisici, fino a che non venne riscoperto indipendentemente uno dall'altro da Yakov Zel'dovich e Robert Dicke all'inizio degli anni Sessanta. Le cose, a questo punto, hanno un'accelerazione: nel 1964 i russi Andrei Doroshkevich e Igor Novikov sono i primi a capire che la radiazione cosmica di fondo è un fenomeno sperimentalmente rilevabile. Quello stesso anno David Wilkinson e Peter Roll, colleghi di Dicke, iniziarono a costruire un radiometro con l'obiettivo di rilevare tale radiazione. Nel frattempo Arno Penzias e Robert Wilson avevano iniziato a lavorare presso il radiotelescopio dei Bell Laboratories di Crowford Hill. Il loro obiettivo era, essenzialmente, fare esperimenti di comunicazione e di radioastronomia, ma, per puro caso, si imbatterono in uno strano segnale nella frequenza delle microonde che all'inizio scambiarono per rumore, ma che si accorsero ben presto provenire da qualunque punto dell'universo: senza rendersene conto avevano rilevato per la prima volta la radiazione cosmica di fondo.
Nel frattempo il gruppo di Dicke lavorava, ignaro, alacremente al progetto: faceva parte della combriccola anche il giovane Jim Peebles, dottorando di Dicke, che ovviamente stava lavorando su una bozza per un articolo sull'argomento. Di tale bozza venne a conoscenza Bernard Burke, amico di Penzias, che subito comunicò la notizia ad Arno: questo permise a lui e Wilson di rendersi finalmente conto di aver compiuto una nuova scoperta.
Alla fine i due gruppi si incontrarono, e visto che è da sempre molto più utile che un nuovo risultato venga ottenuto anche da un secondo gruppo sperimentale, si accordarono anche sui tempi di pubblicazione degli articoli scientifici sulla radiazione cosmica di fondo(5, 6). Tutto questo gran lavoro, alla fine, diede i suoi frutti non solo per l'avanzamento della conoscenza, ma anche come riconoscimenti personali: Penzias e Wilson, infatti, vinsero il Premio Nobel per la fisica nel 1978, mentre Jim Peebles nel 2019, anche se non tanto per il suo contributo al lavoro di Dicke, quanto per la sua carriera di cosmologo. D'altra parte non solo Wilkinson è ancora vivo, ma anche Doroshkevich e Novikov: mai come in questo caso la motivazione del premio a Peebles è stata attenta e giudiziosa per non offendere nessuno.

La radiazione cosmica di fondo rilevata dal satellite Planck - via ESA

  1. Friedman, A. (1922). "Über die Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik. 10 (1): 377–386. doi:10.1007/BF01332580
  2. Lemaître, G. (1927). Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques. Annals of the Scientific Society of Brussels. 47A: 41. 
  3. Alpher, R. A., Bethe, H., & Gamow, G. (1948). The origin of chemical elements. Physical Review, 73(7), 803. doi:10.1103/PhysRev.73.803 
  4. Alpher, R. A.; Herman, R. C. (1948). On the Relative Abundance of the Elements. Physical Review. 74 (12): 1737–1742. doi:10.1103/PhysRev.74.1737.
    Alpher, R. A.; Herman, R. C. (1948). Evolution of the Universe. Nature. 162 (4124): 774–775. doi:10.1038/162774b0
  5. Dicke, R. H.; Peebles, P. J. E.; Roll, P. J.; Wilkinson, D. T. (July 1965). Cosmic Black-Body Radiation. Astrophysical Journal Letters. 142: 414–419. doi:10.1086/148306
  6. Penzias, A.A.; R. W. Wilson (July 1965). A Measurement Of Excess Antenna Temperature At 4080 Mc/s. Astrophysical Journal Letters. 142: 419–421. doi:10.1086/148307

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