Principio cosmologico

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

Il Principio cosmologico non è propriamente un principio, quanto piuttosto un assunto, una ipotesi di lavoro, che, quando viene applicato, limita fortemente il numero di differenti teorie cosmologiche possibili. Esso concerne l'osservazione dell'universo e afferma che:

L'universo è omogeneo e isotropo, su di una scala opportunamente grande.

Ciò significa che l'aspetto generale dell'universo non dipende dalla posizione dell'osservatore e implica di conseguenza che l'uomo non occupa una posizione privilegiata nel cosmo, in contrasto con la teoria geocentrica e in accordo con il Principio copernicano.

Immagine dell'Hubble Deep Field South, nella quale risalta l'omogeneità a grande scala dell'universo. Immagine fornita da NASA/ESA.

Il Principio cosmologico fu implicitamente enunciato da Albert Einstein nel 1917, mentre studiava le equazioni della relatività generale che descrivono l'universo nel suo insieme; queste equazioni risultano estremamente complesse e presuppongono che lo spazio possieda un certo numero di simmetrie, come nel caso del principio cosmologico perfetto, formulato da Edward Milne agli inizi degli anni '30.

Il Principio cosmologico non venne inizialmente verificato tramite l'osservazione degli oggetti cosmici (quando venne enunciato da Einstein non si conoscevano ancora corpi celesti esterni alla Via Lattea), ma in seguito si poté verificare come l' universo osservabile (del diametro di vari miliardi di anni luce) fosse effettivamente omogeneo e isotropo.

Al giorno d'oggi, qualsiasi modello cosmologico deve basarsi su questo principio, o perlomeno deve spiegare perché l'universo osservabile sembri rispettarlo.

Indice

1 Implicazioni
2 Conseguenze e verifiche
3 Critiche
4 Altre definizioni
- 4.1 Principio cosmologico perfetto
- 4.2 Universo frattale
5 Note
6 Voci correlate

[modifica] Implicazioni

Le proprietà di omogeneità e isotropia previste dal Principio cosmologico suggeriscono che la Terra non si trovi in una posizione privilegiata (vedi il Principio copernicano) e che a grandi scale l'universo sia uniforme (non frattale). Un'altra conseguenza è che le più vaste strutture discrete nell'universo si trovino in una condizione di equilibrio meccanico; dall'omogeneità e dall'isotropia della materia a grandi scale deriva anche l'idea che queste strutture discrete siano parti di una singola configurazione non discreta.

Le osservazioni astronomiche rivelano un'alta densità e una bassa metallicità nelle galassie più lontane dalla Terra^[1]. Applicando il Principio cosmologico, si è giunti a stabilire che un qualsiasi cambiamento nella popolazione delle galassie lungo l'orizzonte dell'universo visibile si traduce in un cambiamento dell'universo omogeneo nella sua totalità.

I cosmologi ritengono che, in accordo con le osservazioni astronomiche, un universo che rispetta il principio cosmologico non possa essere statico; a un universo non statico si giunge anche partendo dall'applicazione del Principio cosmologico alla Relatività Generale, indipendentemente dalle osservazioni.

[modifica] Conseguenze e verifiche

Il Principio cosmologico è stato suffragato dall'osservazione dell'isotropia quasi perfetta della radiazione cosmica di fondo^[2]; al contrario però non è stato ancora dimostrato a priori che l'universo lo rispetti.

Se l'universo inizialmente non era perfettamente isotropo e omogeneo, l'effetto della forza gravitazionale avrebbe amplificato queste discrepanze già esistenti attraverso un processo chiamato "instabilità di Jeans"; il Principio cosmologico necessita dunque di immaginare un universo primordiale sufficientemente omogeneo, ipotesi poco elegante e non giustificabile; questo problema viene spesso denominato "problema dell'orizzonte" e ogni modello cosmologico ne deve fornire una spiegazione: quale processo fisico ha fatto in modo che l'universo (o almeno la sua parte per noi osservabile) sia potuto passare da una condizione iniziale disordinata ad uno stato omogeneo e isotropo? La teoria dell'inflazione è stato il primo modello a proporre una possibile soluzione.

[modifica] Critiche

Una forte critica al Principio cosmologico deriva dal cosiddetto problema dell'induzione:

Osservazioni empiriche limitate a particolari regioni dello spazio non possono dire nulla sullo stato di altri corpi esterni a tali regioni.

Spazi eterogenei spesso contengono regioni omogenee ed isotrope, eventualmente distribuite irregolarmente (in accordo con questa visione, la Terra si troverebbe in una di queste regioni). In generale, le osservazioni astronomiche hanno rilevato grandi densità di energia situate a grandi distanze nel cosmo; regioni più o meno dense, distribuite in modo eterogeneo, potrebbero essere individuate solo se queste strutture restano stabili per il tempo necessario alla luce per attraversarle.

Se l'universo fosse eterogeneo, si potrebbero osservare i seguenti fenomeni:

galassie dello stesso diametro e ampiezza angolare dovrebbero possedere dei redshift significativamente diversi e dovrebbero quindi riportare dei valori della costante di Hubble discordanti;

popolazioni di galassie regolari e irregolari dovrebbero avere diversi valori di redshift, a dimostrazione della loro distribuzione eterogenea a vaste scale.

[modifica] Altre definizioni

[modifica] Principio cosmologico perfetto

Per approfondire, vedi la voce Principio cosmologico perfetto.

Forti del successo del Principio cosmologico, vari ricercatori, tra i quali Fred Hoyle, Thomas Gold e Hermann Bondi, proposero sul finire degli anni '50 una versione più "forte" di tale principio, denominata "Principio cosmologico perfetto": l'universo è identico a sé stesso non solo su distanze spaziali, ma anche nel corso del tempo; dal momento che l'universo è in espansione, si ipotizzò che esistesse un processo continuo di creazione di materia, necessario a contrastare la diminuzione di densità causata dell'espansione (è la teoria dello stato stazionario). Questo modello, un tempo rivale della teoria del Big Bang, è stato in seguito abbandonato perché incapace di spiegare varie scoperte cosmologiche, tra le quali il fondo di radiazione cosmica.

[modifica] Universo frattale

Per approfondire, vedi la voce Universo frattale.

La prova definitiva dell'omogeneità e isotropia dell'universo è estremamente difficile da trovare, dal momento che le osservazioni permettono di misurare con accettabile precisione solo l'universo vicino; lo studio di regioni più lontane è soggetto a errori sistematici (detti "bias") a causa dei quali vengono rilevati solo gli oggetti più luminosi. Alcuni ricercatori suggerirono quindi erroneamente vari modelli cosmologici in cui la distribuzione della materia nell'universo non è omogenea e segue una legge frattale; uno di questi modelli fu proposto dall'astronomo franco-statunitense Gérard de Vaucouleurs agli inizi degli anni '70, ma è oggi totalmente superato. Questo modello prevedeva che un osservatore si trovasse ad una certa distanza da una regione con più alta densità, ad una distanza maggiore da una regione con densità ancora maggiore, e via di seguito.