L’espansione dell’Universo

Quando frequentavo il corso di Fisica all’università, mi divertivo a trovare degli esempi pratici per poter spiegare meglio le cose. Ovviamente mi riferisco alla Fisica classica, quella di Newton, per intenderci.

Una volta ricordo che alla lavagna c’era un mio amico, Riccardo, che si era bloccato nello spiegare al professore il principio di Pascal.

Il principio di Pascal o legge di Pascal è una legge della fisica dei fluidi che stabilisce che, quando avviene un aumento nella pressione in un punto di un fluido confinato (contenuto in un contenitore, per capirci), tale aumento viene trasmesso anche ad ogni punto del contenitore (quindi la pressione è costante in tutti i punti del contenitore stesso).

Io feci un gesto e Riccardo capì al volo: mimai una botte, qualcosa che entrava dentro e la botte che esplodeva. A quel punto la spiegazione e le relative formule apparirono sulla lavagna…

botte di Pascal

“Basta poco, che ce vò”…

Ma se bisogna spiegare concetti più complessi? A volte non basta né l’immaginazione, né la conoscenza del mondo reale. Perché se è vero che per spiegare cose relative al mondo che ci circonda bastano fantasia e un po’ di senso pratico, quando si va al microscopico (o al macroscopico), le cose cambiano.

Per esempio, come spiegare il movimento degli elettroni nell’atomo, o, meglio, intorno al nucleo dello stesso?

Se uno ha presente il Sistema Solare, con i pianeti che ruotano attorno al Sole, allora non è difficile immaginarsi, per sommi capi, com’è fatto un atomo.

Però la questione degli elettroni che girano attorno al nucleo è un tantino più complessa di quella dei pianeti orbitanti intorno al Sole. Gli elettroni seguono infatti i principi di una teoria meglio nota come meccanica quantistica.

In parole povere, gli elettroni possono ruotare attorno al nucleo solo in determinate orbite e con determinati valori dell’energia. I diversi valori di distanza media dal nucleo atomico a cui le orbite degli elettroni possono trovarsi vanno dunque a definire i cosiddetti gusci elettronici.

L’atomo visto in questa prospettiva potrebbe essere quindi paragonabile a una matrioska di gusci sempre più piccoli. Se poi dovessimo spiegare dove si trova l’elettrone la questione è ancora più intricata.

Infatti non è possibile stabilire con precisione la posizione dell’elettrone senza alterare la posizione stessa: il principio di indeterminazione afferma che non è possibile determinare con precisione arbitraria e contemporaneamente due variabili quali posizione e quantità di moto di una particella.

Questo vuol dire che se misuriamo la posizione e la velocità di una particella, le grandezze che otteniamo sono caratterizzate da errori di misura: una conseguenza di tale principio è che per gli elettroni non si può parlare di traiettorie ma di spazi in cui la probabilità di trovare un elettrone è diversa da zero. Quindi una matrioska di nuvole…

Quello che vale, in termini di descrizione, per l’infinitamente piccolo, vale anche per l’infinitamente grande.

Ma prima di parlare di questo, parliamo di osservazione. Così come per l’elettrone dicevamo che esistono dei limiti nell’osservazione, in quanto la lunghezza d’onda dello strumento che usiamo per osservare è uguale o maggiore alla lunghezza d’onda della particella osservata, e per questo ne altera le caratteristiche, anche nell’osservazione “lontana” le cose non vanno meglio.

La luce, che è lo strumento che ci serve per osservare, ha una velocità finita, anche se incredibilmente elevata. Infatti viaggia a 300.000 chilometri al secondo.

Questo comporta che non vediamo mai le cose come effettivamente sono.

Mi spiego.

Noi vediamo un oggetto in quanto la luce che parte (o meglio, che viene riflessa) da quell’oggetto colpisce i nostri occhi. Poiché ci vuole del tempo affinché la luce copra la distanza tra oggetto e occhio, la cosa che osserviamo, in realtà, è l’immagine che aveva in passato.

Ovviamente la distanza è un fattore chiave. Se l’oggetto è vicino, si può tranquillamente affermare che lo vediamo in tempo reale. Quando però ci allontaniamo, per esempio, osservando oggetti che sono lontanissimi da noi, la luce, prima di arrivare ai nostri occhi, potrebbe metterci del tempo.

La luce che proviene dalla Luna, per esempio, impiega poco più di 1 secondo (1,28) per giungere a noi e questo comporta che quando guardiamo la Luna non la vediamo com’è ora, ma com’era un secondo fa.

Avete mai notato che quando ci sono i collegamenti via satellite nei telegiornali, tra la domanda del giornalista presente in studio e il cronista in collegamento passa qualche secondo? La trasmissione dei segnali elettromagnetici (anche la luce) ci mettono del tempo a rimbalzare sul satellite e ciò comporta un ritardo di risposta. Il concetto è questo.

Anche nel caso del Sole, più distante da noi della Luna, c’è una discrepanza tra quanto osservato e realtà. Infatti, la luce del Sole ci mette 8,33 minuti ad arrivare a noi.

A maggior ragione, più in là ci spostiamo, più tempo ci vuole perché la luce copra la distanza e più indietro nel tempo andremo. È una sorta di “viaggio nel passato” cosmica. L’attuale Stella Polare si trova a 323 anni luce, che vuol dire che la luce impiega 300 anni per arrivare a noi, quindi quella che vediamo è in realtà una sua immagine di come era 323 anni fa. È di uso comune indicare gli oggetti molto distanti appunto con l’unità di misura “anno luce”, cioè 9.460.730.472.581 chilometri, che è appunto la distanza che copre la luce in un anno. Più comodo dire 323 anni luce che 305.581.604.100.961 km, senza dubbio.

La galassia di Andromeda, che è quella più vicina a noi, è distante 2,538 milioni di anni luce. Quindi oggi la vediamo come era due milioni di anni fa! Potrebbe addirittura non esserci più, per quel che ne sappiamo.

Ci sono galassie osservabili anche lontane 12 miliardi di anni luce, la cui immagine che vediamo è quella che avevano quando ancora non esisteva il Sistema Solare!

Ma se la luce avesse una velocità minore? Sarebbe un vantaggio?

Non credo. Facciamo un esempio, prendendo in considerazione un mondo in cui la luce viaggi a 300 metri all’ora invece che 300 chilometri al secondo (i fisici mi perdonino, dimentico volutamente la relatività di Einstein).

Supponiamo di essere di fronte ad un trampolino su cui si stanno svolgendo i mondiali di salto con lo snowboard. Abbiamo quindi la zona di atterraggio a pochi metri e quella di partenza più lontana. Vedremmo prima l’atterraggio e poi la partenza (questo perché la zona di salto è più lontana dai nostri occhi di quella di atterraggio)! Non solo, guardando in direzione dei food truck sistemati più in là, vedremmo noi stessi arrivare in tribuna!

Ecco, ciò creerebbe non poca confusione. Poi, sarebbe una violazione del principio di casualità, quello secondo cui la causa precede l’effetto.

I fisici saranno contenti: non potendo violare quel principio, descritto da Einstein, l’uovo si rompe sempre cadendo dal tavolo e non fa il percorso al contrario.

Quindi, come spiegavo prima, guardando il cielo, gli oggetti più lontani ci inviano informazioni più vecchie di quelli più vicini. Quando ad esempio si osserva l’esplosione di una supernova, siamo certi che quel fenomeno si è verificato molto tempo prima del momento in cui si è compiuta l’osservazione, proprio come quando, davanti al trampolino, vediamo l’atleta prima saltare e poi atterrare.

Ma fino a che distanza possiamo guardare? Ovviamente, se supponiamo che l’Universo abbia una “data di nascita”, almeno per quel che riguarda l’emissione di luce, non possiamo che supporre di poter spingere lo sguardo fino a quella “data”, così come non è possibile vedere una foto di noi stessi scattata prima della nostra nascita.

Infatti, se immaginiamo di mettere su un tavolo le foto che ritraggono noi stessi, dalla più recente (nel punto più vicino a noi del tavolo) fino a quella scattata il giorno della nostra nascita (nel punto più lontano del tavolo), è chiaro che più guardiamo lontano più andremo indietro nel tempo, ma non sarà possibile vedere una foto antecedente l’ultima (anche perché non esiste).

Anche l’Universo prima di una certa “data” non esisteva e quindi non possiamo spingerci oltre con lo sguardo. Questo limite si chiama “Orizzonte Cosmico” e dovrebbe trovarsi all’incirca a 15 miliardi di anni luce, cioè la luce partita dagli oggetti che per primi sono nati è giunta a noi dopo un viaggio di 15 miliardi di anni (mese più, mese meno).

Ovviamente, dopo un viaggio così lungo, la luce è “stanca”, cioè si è fortemente indebolita e non rientra nello spettro della luce visibile; con un radiotelescopio, Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson, fisici americani, scoprirono, vincendo il Premio Nobel per la Fisica nel 1978, tale radiazione, chiamata “radiazione cosmica di fondo”, che è una radiazione elettromagnetica che rappresenta il residuo, raffreddato (3 gradi kelvin, cioè -270,15 gradi centigradi) e diluito, della vampata iniziale che ha dato il via all’Universo intero.

Ma non è finita qui.

L’Universo, oltre ad essere molto esteso, si sta espandendo, cioè, con il passare del tempo, diventa sempre più grande. Le domande a questo punto sono due: come si espande e soprattutto, dentro che cosa si espande?

Edwin P. Hubble, astronomo americano, affermò nel 1929 che esiste una relazione lineare tra lo spostamento verso il rosso della luce emessa dalle galassie e la loro distanza: tanto maggiore è la distanza della galassia e tanto maggiore sarà il suo spostamento verso il rosso (fenomeno per cui la luce o un’altra radiazione elettromagnetica emessa da un oggetto ha una lunghezza d’onda maggiore rispetto a quella che aveva all’emissione).

Si suppose allora che se le galassie si stavano tutte allontanando tra loro, al principio ci doveva essere un singolo punto che doveva riunirle tutte. Nacque così la teoria del “Big Bang”, che paragona l’Universo ad una bomba che esplode e che lancia le schegge in tutte le direzioni. Il concetto però è sbagliato perché fa pensare a un movimento delle galassie nello spazio a partire da un punto centrale. In realtà le galassie non si muovono attraverso lo spazio, né esiste un centro tutto intorno al quale la materia si espande, ma è lo spazio stesso che si dilata portando con sé le galassie.

L’analogia più appropriata, per spiegare l’espansione cosmica, è quella del panettone che lievita. Più precisamente, dovremmo pensare di trovarci all’interno di un panettone sconfinatamente grande: così grande che, come appunto l’Universo, non contempli alcun “fuori” (né possieda una saporita crosta di cioccolato). Quando un panettone lievita, gli acini di uva passa disseminati al suo interno si allontanano sempre più l’uno dall’altro.

Per spiegare invece come mai le galassie si allontano da noi ad una velocità proporzionale alla distanza, quindi sempre più alta quanto più la galassia è lontana faccio un altro esempio. In questo mi aiuta il fatto di essere stato militare.

Immaginiamo una fila di soldati posti alla distanza di un metro l’uno dall’altro ai quali venga dato l’ordine che la distanza che li separa diventi di due metri. Come si dovrebbero comportare i soldati per eseguire l’ordine? Semplice, il primo della fila dovrebbe rimanere fermo, quello che gli sta immediatamente a ridosso dovrebbe indietreggiare di un metro, il terzo della fila dovrebbe indietreggiare di due metri, il quarto di tre metri e così via.

Ora, se l’operazione dovesse essere portata a termine in un determinato tempo, diciamo in dieci secondi, è evidente che i soldati, per raggiungere la nuova posizione, dovrebbero retrocedere a velocità sempre maggiore a mano a mano che ci si allontana dal primo della fila il quale, come abbiamo detto, dovrebbe rimanere fermo. Il secondo della fila dovrebbe spostarsi di un metro in 10 secondi, il terzo di due metri in 10 secondi, il quarto di tre metri in 10 secondi e così via. Il centesimo della fila dovrebbe retrocedere di 99 metri in 10 secondi, manco fosse Usain Bolt.

Ma anche il più veloce dei soldati avrebbe un tempo limite, così come le galassie, che se si spostassero nell’Universo, non potrebbero superare la velocità limite che sappiamo essere quella della luce.

Se però i soldati fossero disposti su una specie di tapis roulant di gomma, potrebbero rimanere fermi e tuttavia allontanarsi tra loro se il tapis roulant venisse allungato sotto i loro piedi. Anche le galassie sono “ferme”, ma è lo spazio stesso che, dilatandosi, le “sposta”. Ed è per questo che, anziché parlare di “velocità” (che implica movimento), i cosmologi preferiscono il termine “recessione”.

Più affascinante ancora è il problema di che cosa ci sia al di là di quello che abbiamo chiamato l’Orizzonte Cosmico, cioè a distanze maggiori di 15 miliardi di anni luce. Niente, sembra essere la risposta più ovvia. Ma non è così.

Torniamo all’esempio delle foto: se oggi pretendessi di vedere una mia foto scattata 50 anni fa sarebbe impossibile, perché ne ho 49. Ma l’anno prossimo la potrò vedere! Nello stesso modo, essendo l’Universo nato 15 miliardi di anni fa, la luce può aver viaggiato solo per 15 miliardi di anni e quindi i segnali luminosi che sono partiti dalle remote regioni che si trovano al di là dell’Orizzonte Cosmico non hanno ancora fatto in tempo ad arrivare fino a noi.

Uso un altro esempio: se saliamo su una montagna, mano a mano che saliamo, l’orizzonte si sposterà sempre più lontano: allo stesso modo, l’Orizzonte Cosmico si va ingrandendo con il passare del tempo inglobando regioni cosmiche che attualmente ci sono ignote.

La cosa più ragionevole da pensare, quindi, è che al di là dell’Orizzonte Cosmico vi siano sconfinati spazi popolati di galassie (o di altre “robe”), esattamente come si può osservare vicino a noi.

Ciò, fra l’altro, si inquadrerebbe perfettamente con l’assunto fondamentale della cosmologia moderna, secondo il quale l’Universo non ha un centro o, per meglio dire, non ha, al suo interno, punti preferenziali.

Ma questo fatto, se da un lato ci delude e ci ferisce nel nostro orgoglio, dall’altro ci garantisce un futuro di scoperte: come diceva Italo Calvino, “Se alzi un muro, pensa a ciò che resta fuori!”

9 pensieri su “L’espansione dell’Universo

  1. Demonio ha detto:

    E chissà, magari il panettone cosmico sta su uno scaffale e accanto ve ne sono altri! Bisogna solo capire se ci sarà un Natale cosmico e tutti i panettoni finiranno o avanzerà qualcosa!😁
    Sempre bello leggere i tuoi post!

    Liked by 1 persona

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