Così con le "sirene cosmologiche" ascoltiamo l'evolversi dell'Universo

L'Universo, lo spazio-tempo e le lunghezze d'onda della luce: le galassie si stanno allontanando (senza cambiare coordinate)

La distanza tra le galassie aumenta, l'Universo si sta "espandendo", eppure lo fa senza occupare altro spazio. Nelle scorse settimane abbiamo cercato di comprendere questi concetti così lontani dalla nostra esperienza. E lo abbiamo fatto utilizzando alcuni esempi. Abbiamo immaginato l'Universo come una stanza (leggi qui) le cui pareti, pur senza spostarsi, si allontanano l'una dall’altra perché aumentano le tacche sul metro che usiamo per misurare la distanza tra di esse (abbiamo detto che il metro si "restringe"); oppure come il pane alle olive che lievita e in cui le olive si allontanano al crescere dell'impasto (leggi qui). Gli esempi sono solo esempi, e non spiegano tutto perfettamente. Eppure queste analogie condividono uno stesso messaggio di fondo: le galassie non si allontanano perché si spostano nello spazio, ma con lo spazio.

È infatti lo spazio-tempo stesso, con la sua metrica, il vero protagonista di questo cambiamento: è la metrica che - sotto l’effetto della presenza di massa ed energia nell'Universo - si modifica, facendo in modo che le galassie, senza cambiare coordinate, diventino più distanti.

Capiamo che l'argomento non è così semplice da digerire. Vorremmo allora rispondere a tre quesiti che ci avete posto, nella speranza di chiarire alcuni dubbi.

1) La scorsa settimana ci eravamo lasciati con una domanda: se lo spazio-tempo si modifica, cosa succede alla velocità della luce? In un articolo, infatti, vi avevamo spiegato che la velocità della luce è sempre costante (leggi qui). E sappiamo inoltre che il metro che usiamo per misurare la distanza tra le galassie è "l'anno-luce". Vi siete chiesti: se il metro cosmico si restringe, allora vuol dire che la luce percorre meno spazio in un anno col passare del tempo? La risposta è "no": la luce percorre sempre 300 mila km al secondo, ma deve percorrere più km perché le tacchette del nostro metro stanno aumentando. Quindi la luce ci metterà più tempo per andare da una galassia all'altra, coerentemente col fatto che le galassie si stanno allontanando.

2) Qualcuno di voi si è poi chiesto: se è solo la metrica che cambia, perché si sente sempre dire che l'Universo 14 miliardi di anni fa era delle dimensioni di un protone, se non di meno? (Lo abbiamo detto anche noi in questo articolo). Nei primi istanti dopo il Big Bang tutte le distanze all'interno dell'Universo erano quasi zero, e quindi anche il volume dell'Universo. Questo perché il fattore di scala a(t) che abbiamo introdotto la settimana scorsa -leggi qui- decresce andando indietro nel tempo fino a tendere a zero (il Big Bang). Col tempo, il metro dell'Universo si è infittito facendo aumentare le distanze. Il volume è quindi cresciuto, dando la possibilità a stelle, galassie e pianeti di formarsi.

3- Infine, il terzo quesito: se la metrica dell'Universo cambia, vuol dire che anche le distanze qui sulla terra si modificano? In realtà nei precedenti articoli abbiamo specificato che è la metrica cosmologica a cambiare nel tempo. Parliamo cioè solo della metrica risultato della relatività generale quando si studia l'Universo su larga scala. In questi regimi, risulta essere un'ottima approssimazione considerare tutta la materia dell'Universo come distribuita in maniera uniforme nell'Universo. Come quando per studiare come cambia la temperatura dell'acqua possiamo dimenticarci delle singole molecole di H20, e considerare l'acqua come un fluido omogeneo, così nello studio della cosmologia possiamo dimenticarci dei singoli ammassi di galassie, e considerare l'Universo un "fluido" cosmologico.

Come ha ben detto uno di voi lettori, invece, quando vogliamo studiare un sistema a livello più locale, come per esempio all'interno di una galassia, dobbiamo tenere in conto le precise masse delle stelle, dei pianeti, e così via. Quindi la metrica locale è completamente diversa. Qui sulla Terra, come abbiamo anche detto nell'articolo precedente (leggi qui), la metrica che funziona benissimo è quella euclidea a cui siamo abituati. Ed è una metrica statica, ovvero non cambia: non diventiamo più larghi o più bassi col tempo, e la distanza tra Roma e Milano rimane sempre la stessa. È per questo che è solo guardando oggetti molto lontani da noi, come altre galassie, che abbiamo scoperto che "l'Universo si espande".

Dopo tanta teoria, crediamo sia giusto chiudere questa miniserie di articoli sull'Universo dandovi alcuni dettagli su come gli astronomi hanno effettivamente osservato che le galassie si stanno allontanando. La tecnica utilizzata è concettualmente abbastanza semplice, e sfrutta un fenomeno simile all'effetto Doppler di cui tutti abbiamo sentito parlare. Quando sentiamo la sirena di un'ambulanza nelle vicinanze, dal suono che percepiamo siamo in grado di capire se il mezzo si sta avvicinando o allontanando da noi. Eppure una sirena emette un segnale, un'onda sonora, che è sempre la stessa, caratterizzato da una precisa lunghezza d'onda. Quando l’ambulanza è in avvicinamento, l'onda si comprime, e la lunghezza d'onda diminuisce facendoci percepire un suono più acuto. Viceversa, una volta che l'ambulanza si sta allontanando, l'onda si dilata, la lunghezza d’onda aumenta e noi percepiamo un suono più grave. Questo è l’effetto Doppler e si applica a tutti i tipi di onda, comprese le onde luminose.

Gli astronomi utilizzano un effetto molto simile. Proprio come noi conosciamo il suono della sirena, loro conoscono con sufficiente precisione le lunghezze d'onda della luce emessa da tipi particolari di stelle, dette Supernovae di tipo I. Queste stelle, dette "sirene standard cosmologiche", le osserviamo all'interno di molte galassie. Immaginiamo di essere un astronomo e di trovarci sulla terra con un telescopio puntato su una Supernova di tipo I all'interno di un'altra galassia. Questa sirena cosmologica emetterà luce alle lunghezze d'onda che noi conosciamo precisamente. A rigor di logica il telescopio dovrebbe registrare quelle lunghezze d'onda, e invece le misura più lunghe rispetto a quelle emesse. Conoscendo l'effetto Doppler, i primi astronomi pensarono che le galassie si stessero muovendo nello spazio allontanandosi da noi, facendo così dilatare la lunghezza dell'onda della luce. Per questo coniarono il termine "espansione" dell'Universo. Tuttavia, un'analisi più dettagliata ha mostrato che il semplice effetto doppler non riesce a spiegare i dati, che sono invece perfettamente spiegati dal cambiamento della metrica dello spazio-tempo, e quindi delle distanze, predetto dalla relatività generale.

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Commenti

tremendo2

Dom, 08/03/2020 - 16:57

parte prima Rimane una ambiguità di fondo. Spazio e tempo non sono oggetti, sono piuttosto categorie mentali (se uno non conosce la filosofia di Kant, credo faccia un po di difficoltà a capirmi). Come, seppure in ambito diverso, i colori non sono oggetti, ma sono la reazione della nostra retina a determinate lunghezze d'onda. Come sono le altre lunghezze d'onda? Non ne abbiamo idea, non perché non esistano, ma perché non le percepiamo con i nostri occhi. Allora se lo spazio e il tempo sono nostre categorie mentali, essi non esistono se mancasse l'uomo.

tremendo2

Dom, 08/03/2020 - 16:57

parte seconda Come, se mancasse l'uomo non avrebbe senso di parlare di velocità della luce. La velocità della luce quindi, facendo riferimento allo spazio e al tempo, non è un assoluto. E' un costrutto mentale che esiste solo nella nostra testa. Come il tempo non è assoluto. Infatti alcune volte diciamo che il tempo non passa mai, oppure che è passato velocissimo, non ce ne siamo neppure accorti. Appunto, il tempo è relativo come diceva Einstein. Affermare che le galassie si allontanino o si avvicinino è un prodotto della nostra mente o, per essere più precisi, un costrutto mentale. E' come dire che un albero è più alto di un altro, ma nello stesso tempo è più piccolo di uno più alto ancora. Allora è grande è piccolo? E' la nostra mente a deciderlo.

Sempreverde

Dom, 08/03/2020 - 17:13

Sapere che siamo nulla di fronte a questa immensita lenisce i nostri patimenti. Nessuno si accorge di questa umanita fetida e corrotta. Pregate

flip

Dom, 08/03/2020 - 17:39

tremendo 2 scusa la mia ignoranza e super faciloneria. Ma la filosofia, anche se di kant, non è SOLO un pensiero astratto filosofale del tutto personale e magari non condiviso????'

tremendo2

Dom, 08/03/2020 - 18:41

@flop sapere come funziona la nostra mente non è un lusso per nessuno. Se uno ha studiato filosofia, fa meno fatica perché capisce anche gli errori della filosofia. La consapevolezza del proprio operare mentale è indispensabile in tutti i campi: politico, economico, scientifico, ecc., altrimenti ci ritroviamo a pensare come vogliono gli altri. Capisco che è difficile, ma chiedersi per esempio cosa fa la nostra mente quando usa concetti come universo, finito, infinito, nulla, uno, tutti, spazio, tempo, denaro, moneta, ecc. è un dovere soprattutto nei confronti di se stessi. Io questo ho cominciato a farlo dopo i 60' anni studiando alcuni autori. Faccio ancora fatica, ma ne vale la pena. La cosa divertente è soprattutto quando si trovano scienziati che non sono consapevoli del proprio operare mentale.

tremendo2

Dom, 08/03/2020 - 18:53

ancora @flip. Se vuole cominciare, legga "La mente vista da un cibernetico" di Silvio Ceccato, oppure "L'arcano della matematica" di Carlo Ghiringhelli, oppure ancora "La linea e la striscia" di Silvio Ceccato e Pier Luigi Amietta.

anita_mueller

Dom, 08/03/2020 - 19:09

tremendo2: sei veramente tremendo!

Prameri

Dom, 08/03/2020 - 19:35

Tremendo2, è relativo ciò che riporti. Hai parlato di funzioni e non di materia. Esagero un po' le tue affermazioni: 'l'universo non esiste se non c'è l'uomo che lo pensi'. E' relativo. Vero è : 'Relativamente all'uomo, l'universo non esiste nel suo cervello, nel suo pensiero.' Non ho mai visto l'Australia quindi relativamente a me l'Australia non esiste. Va beh che ne ho sentito qualche testimonianza, ma sarà vera?

Ritratto di Acquachiara

Acquachiara

Dom, 08/03/2020 - 21:51

Mah. Rileggendo gli articoli indicati, parrebbe che quello dell'espandersi o restringersi non sia tanto un problema dell'universo quanto piuttosto un problema del metro (unità di misura) che usiamo per misurarlo, cioè il rapporto spazio/tempo. Trattandosi di variazioni dimensionali, il metro è quindi il rapporto tra una porzione di spazio (es. la barra di platino e iridio che sta a Parigi) e l'intervallo di tempo intercorrente fra due misurazioni: la differenza tra le due misurazioni rappresenta appunto l'espansione o il restringimento. Se l'universo s'allarga, nello stesso modo dovrebbe proporzionalmente allargarsi tutto ciò che ne fa parte - compresa la detta barra d'iridio, e nulla e nessuno se ne accorgerebbe. Quindi l'elemento critico del metro spazio/tempo non può che essere il tempo. E questo sarebbe un grosso problema. ...

Ritratto di Acquachiara

Acquachiara

Dom, 08/03/2020 - 21:51

... Penso che quello dell'universo-che-si-allarga-anzi-no sia un falso problema, nato sull'assunto (ipotesi non verificata) che lo farebbe senza alterare le proprie dimensioni: di qui gli esempi del palloncino e dell'impasto con le olive; o anche della curvatura della luce (radiazione elettromagnetica), secondo alcuni da ricondursi non già alla normalissima e misurabilissima sua deviazione per effetto dei campi magnetici delle stelle, bensì a improbabili e non affatto dimostrabili curvature dello spazio e del tempo. Mah. Quella del tempo "che s'infittisce" mi pare un'ipotesi buona solo per esplorare nuovi approcci con lo studio dell'universo; comunque è sempre bello esplorare, o chissà, forse è davvero così.

tremendo2

Mer, 11/03/2020 - 10:54

@Prameri. Lei pensa veramente che prima che esistesse l'uomo qualcuno aveva fatto un atlante specificando dove era l'Australia? Lei quando pensa all'Australia cosa fa? Immagina con la sua mente una forma con i suoi confini. Ma è una cosa del tutto convenzionale. E' un costrutto mentale. E quando gli uomini non si mettono d'accordo su questa forma, si fanno guerra perché ognuno vuole imporre la sua forma e i suoi confini agli altri. Per avere l'Italia di adesso ci sono voluti secoli di guerre. E a qualcuno ancora non va bene, perché dice che l'Istria appartiene all'Italia. Quindi l'Australia è una mappa che lei applica a un determinato territorio. Poi chiama quel territorio "Australia".

tremendo2

Mer, 11/03/2020 - 11:01

le descrizioni che si danno all'Universo danno per scontato che noi oggi possiamo descriverlo in maniera "scientifica". Ne dubito perché quello che noi rileviamo con i telescopi, spesso non esiste più. Le stelle che vediamo è la luce che esse emanavano migliaia di anni fa. E adesso dove si trovano, se ancora ci sono? Diamo per scontato che tutto quello che vediamo ci sia contemporaneo, e a questo diamo una forma.Sovrapponiamo l'oggi con eventi lontanissimo nel tempo.

tremendo2

Mer, 11/03/2020 - 11:08

a casa mia espandere è una categoria che uso per dire che si occupa più spazio. Se una nazione si espande, vuol dire che sta occupando il territorio di un'altra nazione la quale si vedrà decurtata di quel territorio. E questo, direbbe Dante, "per la contradizion che nol consente". In altre parole voglio dire che per capirsi bisogna dare alle parole lo stesso significato.

Ritratto di Acquachiara

Acquachiara

Mer, 25/03/2020 - 18:08

...dare alle parole lo stesso significato: magari!!! ma impossibile con gente che per allargare una cosa rimpicciolisce il metro...