L’Universo in tutta la sua grandezza



A cura di Franco Palerno, ricercatore di fisica della particelle presso l’Università di Boston

In un recente post è stata posta una domanda sull’universo visibile, la domanda ha sollevato tutta una serie di quesiti interessanti ma complessi, ora per spiegarli compiutamente sarebbe spesso necessario il formalismo matematico, ma cercherò di cavarmela con parole ed esempi.

Una premessa, quando uso un esempio tratto dalla vita di tutti i giorni per spiegare un fenomeno o un concetto non bisogna pensare che l’esempio descriva una rappresentazione totalmente coincidente e veritiera, l’esempio è un semplice artificio per semplificare concetti e fatti complessi tutto qui, se paragono l’universo ad un palloncino sarebbe assurdo pensare che fra le due cose esista una identità totale, il palloncino serve per spiegare un solo, limitato aspetto o fenomeno, nient’altro, non si può fare una domanda che comincia con “ma se l’universo ha la forma di un palloncino allora…..” non ha senso. Inoltre a volte esprimerò concetti che sono contro intuitivi, che non seguono quella che è la logica della vita comune, ad esempio dirò che due oggetti si allontanano fra loro ma nessuno dei due è in movimento, questo può sembrare assurdo, ma esistono formule e teorie a sostegno di ciò. Il problema è che se usassi complicate formule e strani simboli dicendovi che ciò conferma quello che dico questo verrebbe compreso, probabilmente solo da chi ha seguito determinati studi, per gli amatori della materia non aggiungerebbe molto. Badate non è un problema di intelligenza, ma di specializzazioni, ognuno di noi ha conoscenze e capacità in determinati campi e non in altri, in altri termini ognuno di noi è esperto in qualche cosa ed ignorante (nel senso che ignora) in altre, io uso sempre un esempio, se il mio medico mi dicesse che ho preso una rinofaringite acuta infettiva virale causata da un rhinovirus mi preoccuperei molto, se mi dicesse che ho un raffreddore mi farei una risata, e le due descrizioni indicano la stessa cosa. Un’ultima cosa prima di cominciare, a volte per semplificare e meglio spiegare sacrificherò parzialmente la correttezza formale, ma penso che afferrare un concetto sia meglio che descriverlo in modo formalmente corretto ma comprensibile ai soli addetti ai lavori. Bene cominciamo.

L’espansione dell’universo

La prima cosa da capire, un concetto che influenzerà molte delle cose che diremo in seguito, è l’espansione dell’universo, che è in atto dal momento del Big Bang. Ora, molte persone, in questo aiutate da una cattiva divulgazione, hanno un’idea del Big Bang come di un’esplosione che abbia proiettato dei frammenti in ogni direzione. Questa è una visione TOTALMENTE errata, un’esplosione che proietta qualche cosa nello spazio sottintende che esista PRECEDENTEMENTE all’esplosione uno spazio ove i frammenti possano essere proiettati. Ma prima del Big Bang non esisteva lo spazio, in effetti è il Big Bang che ha “creato” lo spazio, quindi il Big Bang non ha proiettato NULLA nello spazio, ha creato uno spazio in espansione. Il problema di cosa ci sia oltre lo spazio o cosa ci fosse prima del Big Bang, ammesso che “oltre e prima” abbiano un senso in questo contesto, esulano, almeno al momento, dal discorso, e dato che ciò che potrebbe esserci “oltre” o ciò che potrebbe esserci stato “prima” non ha e non può avere nessun rapporto relazionale con noi per il momento lo accantoniamo (in altri termini ciò che accadrebbe fuori o prima dell’universo non può avere relazioni o effetti con o su di noi, perché altrimenti farebbe parte dell’universo e non sarebbe “oltre o prima” ma sarebbe “qui ed ora”).

Linea temporale. Credit:NASA

Torniamo all’espansione dell’universo, il termine corretto per definirla è “espansione metrica dello spazio”, ovvero rappresenta un aumento della distanza fra due oggetti con il trascorrere del tempo. Ora arriva la parte difficile, l’aumento della distanza NON E’ DOVUTO al movimento proprio degli oggetti, se anche essi fossero immobili, i due oggetti aumenterebbero la distanza reciproca. La distanza aumenta NON per un movimento ma per l’espansione dello spazio. Il “movimento” indica uno spostamento NELLO SPAZIO di un oggetto rispetto ad un altro, ripeto spostamento nello spazio, ma nel caso dell’espansione metrica gli oggetti possono essere anche IMMOBILI NELLO SPAZIO, e ciò nonostante vedrebbero la distanza reciproca aumentare. Poi, ovviamente gli oggetti possono ANCHE essere dotati di movimento proprio, possono muoversi nello spazio, per cui i due effetti VANNO SOMMATI, movimento proprio più espansione metrica dello spazio. Ripeto che l’espansione metrica NON E’ un movimento e non è soggetta alle leggi del movimento, porto due esempi:

Poniamo di essere su un corpo in movimento, ovvero che si sposta nello spazio, sia esso un’automobile oppure la Terra stessa, ora mettiamo che l’auto in movimento si blocchi istantaneamente, noi verremo proiettati contro il parabrezza a causa dell’inerzia (allacciate le cinture di sicurezza), oppure mettiamo che degli alieni cattivissimi con una superarma bloccassero istantaneamente il movimento orbitale della Terra intorno al Sole, credetemi, preferireste non esserci per evitare di vivere le catastrofi seguenti.

Questi fenomeni sono dovuti all’inerzia collegata al movimento

Ma se per un qualsiasi motivo l’espansione dell’universo si bloccasse istantaneamente NON SE NE ACCORGEREBBE NESSUNO, perché non vi sarebbero fenomeni legati all’inerzia, e questo perché NON SI SAREBBE INTERROTTO UN MOVIMENTO, ce ne accorgeremmo solo dopo (molti) anni con osservazioni astronomiche.

Un’altra conseguenza del fatto che l’espansione non è un movimento è che non è legato alle sue leggi ed alle sue limitazioni. Per cui dato che, più gli oggetti sono lontani e maggiore è la quantità di allontanamento (non uso volutamente il termine velocità per non confondervi), e dato che l’espansione metrica non è un movimento, per oggetti estremamente distanti la “quantità” di allontanamento può superare la velocità della luce (senza violare in alcun modo la teoria della relatività di Einstein). Inoltre ricordate che gli effetti dell’espansione metrica e dei movimenti propri vanno sempre sommati. L’espansione metrica dello spazio è espressa matematicamente con la metrica di Friedmann – Lemaître – Robertson – Walker

Dove è avvenuto il Big Bang?

La sorprendente risposta è che la “grande esplosione” iniziale è cominciata esattamente dove siamo noi. Ma, se ci spostassimo in un’altra galassia, la risposta sarebbe la stessa, in realtà il Big Bang è avvenuto ovunque nell’universo. Da allora in verità non è scoppiato niente ma semplicemente è lo spazio stesso che si è espanso a dismisura e continua ad espandersi. Ora farò il classico esempio del palloncino gonfiabile di gomma ma vi prego di ricordare la premessa sugli esempi, l’universo NON è un palloncino e vice versa. Ora, immaginiamoci un palloncino piccolissimo, piccolo come un punto, questa è la situazione dell’universo al momento del Big Bang, ora facciamo avvenire sia il Big Bang che ESPANDE LO SPAZIO, e contemporaneamente gonfiamo il palloncino il che espande il palloncino e la gomma che lo compone. Ad un certo punto, con l’universo già espanso ed il palloncino gonfiato ci poniamo due domande che avranno la medesima risposta:

PALLONCINO gonfio, in quale parte della gomma che compone il palloncino è avvenuto il “gonfiaggio”? Dove è la parte di gomma che ha dato origine al palloncino gonfio? La risposta è “OVUNQUE” in quanto la gomma che formava il palloncino sgonfio grande come un punto è la stessa che forma il palloncino gonfio. Non esiste nuova gomma, è quella originale.

UNIVERSO espanso, dove è avvenuto il Big Bang? La risposta è “OVUNQUE” in quanto lo spazio che formava l’universo al momento del Big Bang, quando era puntiforme E’ LO STESSO SPAZIO presente oggi, non esiste nuovo spazio è sempre quello iniziale ma espanso.

Per cui il Big Bang è avvenuto ovunque, e, per lo stesso motivo OGNI punto dell’universo è il centro dell’universo, NON ESISTE un punto privilegiato o più importante.

So benissimo che questo concetto sarà difficile da digerire e probabilmente darà luogo a numerose discussioni.

L’universo e le sue componenti. Credit: Fernando de Gorocica

 

Ma quanto è grande l’universo e cosa è l’universo osservabile?

Riporterò qui parti di un mio articolo precedente postato su passioneastronomia.it.

L’universo è nato (circa) 13,7 miliardi di anni fa, e qui spesso nasce un malinteso, questa cifra indica la sua età, non il suo raggio (dimensioni). Da quando il nostro universo è nato lo spazio si sta espandendo, le galassie si allontanano le une dalle altre e la velocità con cui si allontanano è proporzionale alla loro distanza. La luce emessa da una galassia viaggia in uno spazio in espansione: quando essa giunge a noi la distanza attuale della galassia di partenza è molto maggiore di quella iniziale. Ovvero, le galassie che vediamo com’erano 10 miliardi di anni fa, attualmente sono ad una distanza non di 10 ma forse di 16 miliardi di anni-luce. Dato che la velocità della luce è finita (ha un limite, 300.000 km/s) e che l’età dell’universo sia anch’essa finita ha per noi una importantissima conseguenza, NON possiamo osservare nulla oltre un dato limite.

Possiamo osservare solamente oggetti la cui distanza ha potuto essere percorsa, dalla luce, dal tempo in cui è nato l’universo, cioè in un periodo di tempo compreso in meno di 13,7 miliardi di anni; la luce emessa da corpi più lontani non ci ha ancora raggiunto e noi non possiamo vederli. Dunque l’universo VISIBILE è limitato ma non è assolutamente da confondere con l’universo nel suo insieme, esso è in realtà molto più grande di quel che attualmente appare. Questo limite di osservazione NON E’ DIPENDENTE dai mezzi tecnologici, ma è un limite fisico e qualunque nostro progresso non potrà ovviare a questo fatto.

Ora vi raccomando, se già non lo avete fatto di leggere la parte in cui parlo dell’espansione metrica dello spazio.

Ora per rispondere alla domanda “quanto è grande l’universo?” bisognerebbe scomodare anche la Relatività Generale, ma vi risparmierò le formule ed i calcoli, occorrerebbe decine di pagine per spiegarli. Comunque, la Relatività generale tenendo conto dell’espansione metrica e della velocità della luce calcola che la distanza dell’orizzonte cosmologico (dimensioni dell’universo) è di circa 46,5 miliardi di anni luce, in altre parole, l’universo avrebbe un diametro di circa 93 miliardi di anni luce. Quindi l’universo osservabile è solo una parte dell’universo.

Un’immagine simulata dell’intero universo osservabile: una sfera attorno a noi di circa 93 miliardi di anni luce di diametro. Le strutture che si vedono sono grandi ammassi di superammassi di galassie. Credit:
Andrew Z. Colvin

 

I confini dell’universo

La domanda successiva potrebbe essere, esiste un Confine dell’universo? Bene qui potremmo sconfinare nella filosofia, in quanto il concetto di “confine” implica un qualche tipo di relazione con qualche cosa al di fuori dell’universo, ma, se avessimo una relazione con qualche cosa, questa cosa farebbe parte del nostro universo, per cui non sarebbe un confine. Ora premesso che in questo campo le ipotesi si sprecano (non le chiamerò teorie in quanto le teorie scientifiche devono avere conferme sperimentali od osservative), e tutte fanno riferimento a formalismi matematici logici e corretti, ma, come dico sempre, ciò che è possibile e logico matematicamente non è assolutamente detto sia vero nella realtà. In altri termini, non avendo relazioni causali con l’ipotetico “esterno” non possiamo avere conferme osservative. Diciamo che le ipotesi che, ad oggi, trovano più sostenitori ci dicono che l’universo è finito ma senza limiti.

Cosa significa ciò? Beh, è impossibile visualizzarlo, ma farò alcuni esempi (sempre da prendere per quel che valgono), immaginatevi la superficie terrestre, è finita ma senza confini, viaggiando sempre in una direzione ci ritroveremmo al punto di origine senza mai incontrare un confine, e così sarebbe anche per l’universo.

Oppure, ricordate i vecchi giochi per computer PAC-MAN o SPACE-INVADERS? Gli oggetti uscivano dall’ ”universo” del gioco da un lato dello schermo per ricomparirvi dal lato opposto, e con l’universo potrebbe accadere qualche cosa di simile.

 

 

Ora, vi prego non pensate che l’universo sia coma Pac Man è un semplice artificio mentale.

Tornando all’esempio della Terra e dell’universo, mentre il viaggio ci porterebbe in entrambi i casi a tornare al punto di partenza, l’universo avrebbe una particolarità rispetto alla Terra, se da quest’ultima osservo verso l’esterno (il cielo) vedo qualcosa di esterno alla Terra, mentre se dal bordo dell’universo (che non esiste) guardassi verso l’esterno (che non esiste) vedrei ancora una parte diversa dell’universo, come se Pac Man sul bordo destro dello schermo cercasse di guardare oltre, non vedrebbe l’esterno ma vedrebbe la parte sinistra del proprio universo (ricordate sempre, sono esempi parziali). Insomma come detto precedentemente, OGNI punto dell’universo è il centro dell’universo, e, similmente, NESSUNA parte dell’universo è il confine dell’universo, per così dire, ne fisicamente ne osservativamente. Capisco che possa sembrare illogico, ma dobbiamo accettare il fatto che il modo non funziona secondo la nostra logica o secondo le nostre aspettative, funziona secondo le proprie leggi, ci piacciano o meno, ci sembrino logiche o meno, infatti non siamo noi che abbiamo creato l’universo, è l’universo che ha generato noi.

Indietro nel tempo

Per quanto riguarda un post che poneva il quesito: se viaggiando sempre in una direzione torno al punto di partenza  torno anche allo stesso tempo della partenza? No, perché, se pur spazio e tempo sono due facce della stessa moneta, le dimensioni che li “compongono” e rappresentano diciamo che “funzionano” in modo diverso, le dimensioni spaziali, lunghezza, larghezza, altezza, funzionano in due sensi, si possono percorrere avanti e indietro, invece la dimensione tempo, la freccia del tempo, procede in un’unica direzione, dal passato verso il futuro, e questo fatto è legato all’entropia dell’universo (ho recentissimamente scritto e postato un articolo su questo argomento su passioneastronomia.it, intitolato  Perché il tempo scorre sempre in una direzione?).

Spero di non aver dimenticato qualche argomento, in caso segnalatelo e prossimamente cercherò di rispondere.

Ripeto infine, non prendete gli esempi per qualche cosa che non sono, rammentate che a volte ho semplificato le cose per renderle più comprensibili anche a scapito della correttezza formale, e che le teorie od ipotesi che ho illustrato non sono “mie” ma sono diffuse nel mondo scientifico, infine che non sono campate in aria da qualcuno che se li è inventati di notte dopo una cena indigesta, ma pur non potendo assolutamente essere prese come dogmi, verità assolute (che non esistono nella scienza), sono comprovate da calcoli matematici, e spesso da dati sperimentali e/o osservativi, poi ribadisco, nella scienza non esistono verità assolute.

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