L’espansione dell’universo in camera da letto7 min di lettura

L’espansione dell’universo è un argomento particolare. Ormai tutti sanno che l’universo si espande. Nessuno sa perché le cose stiano in questo modo, nessuno sa il motivo. Insomma, le cose che non sappiamo sono sempre più di quelle che sappiamo, questa è una regola generale, però possiamo provare a mettere alcuni piccoli paletti a cui aggrapparci per tentare di capire come stanno le cose che già conosciamo.

La scienza fa questo tutti i giorni, a volte va male, a volte va peggio, ma l’importante è provarci. Scherzo, parecchie volte va anche bene, eh.

Ma torniamo a noi.

Molto spesso viene fatta la seguente domanda: “Se l’universo si espande, e se la teoria del Big Bang descrive il nostro universo come un’espansione dello spazio, allora perché, per esempio, la distanza tra i pianeti del Sistema Solare o tra la Via Lattea e Andromeda non aumenta? Cioè, perché lo spazio sembra espandersi solo su grandi scale?”
Si tratta di una domanda seria e quindi merita una risposta seria.

La tipica risposta è la seguente: per esempio, la Via Lattea e Andromeda sono galassie molto vicine e quindi fortemente legate gravitazionalmente; quindi esse si muovono insieme, danzando mentre l’universo si espande.

Oppure, vista metaforicamente, l’espansione dell’universo è presentata come un fiume che scorre mentre la Via Lattea e Andromeda sono due che si azzuffano nell’acqua. In tal modo, mentre l’universo/fiume continua a scorrere, le due galassie restano vicine.
Tuttavia, questa non è esattamente la risposta più corretta che uno possa dare.

Se volessimo, infatti potremmo chiederci: ma, aspetta un attimo, in fondo la gravità, proprio come fa per Andromeda e la Via Lattea, tiene legate tra loro anche le galassie lontane. Quindi perché invece le galassie lontane si allontanano ancora di più? Ottima, davvero ottima domanda. Infatti detta così sembrerebbe che la forza che fa espandere l’universo sia una forza particolare, un qualcosa che si oppone alla gravità.

E infatti sono gli esempi a generare gli equivoci nella mente di ascolta. In realtà il motivo per cui le galassie lontane si allontanano ma le Andromeda e la Via Lattea no è il medesimo: ovvero in entrambi i casi è tutta colpa della gravità. E non lo dico io, lo dice la teoria della relatività di Einstein.

Ma facciamo un passo alla volta.

Per spiegare come funziona l’espansione dell’universo, in realtà esempi celebri, che spesso anche io uso, come quello del palloncino che si gonfia, non sono altro che un rendere umano qualcosa a prima vista molto astratto: cioè si tenta di porre la questione fisica tramite idee e similitudini che abbiano un qualche aggancio con la realtà quotidiana. Se da un lato tutto ciò funziona e probabilmente è anche alla base della divulgazione scientifica, dall’altro si corre il rischio di mandare fuori strada, qualora qualcuno volesse approfondire.
Per questo motivo ho deciso di chiarire la questione per bene (ci provo, almeno). Così da mettere nero su bianco la faccenda, in maniera tale da prenderci tutto il tempo che ci serve e magari anche un caffè mentre ascoltate. Se invece siete in auto, visto che alcuni mi hanno scritto di ascoltare Parsec nel traffico, beh, allora allacciate le cinture, si parte.

 

La questione dell’interpretazione dell’espansione dell’universo può sembrare una mera disputa filosofica oppure una semplice discussione tra astrofisici che hanno tempo da perdere. Invece, a mio avviso, si tratta di un qualcosa che chiarisce molto bene alcuni punti che spesso non solo il pubblico di non addetti ai lavori ma anche studenti di astronomia danno talvolta per scontato (e includo anche me stesso nel computo, ovviamente).
Tuttavia, nel corso di questa puntata non dirò niente di sconvolgente ma spero qualcosa che vi faccia dire il classico “Ah, ora ho capito”.

In particolare, voglio dirvi questa cosa fondamentale: l’espansione dell’universo è una descrizione di come osserviamo l’universo date certe ipotesi.

Mi spiego.

Nel 1929, l’astronomo americano Edwin Hubble osservò un fatto sperimentale molto importante: misurò la distanza delle galassie e il loro redshift e notò che le galassie si stanno tutte allontanando da noi.

Apro una piccola parentesi sul redshift visto che ne ho già parlato qualche puntata fa: se si misura la luce delle galassie lontane, si scopre che la luce è più rossa del solito, cioè il redshift è più grande. Questo è dovuto al fatto che le galassie si stanno allontanando da noi. Chiusa parentesi.

In particolare, più le galassie sono lontane e più fuggono via velocemente. Si tratta di un fatto, di un’osservazione. Bisognerebbe capire perché accade ciò. Il passo successivo è utilizzare una qualche teoria per spiegare questa roba in un contesto più ampio.
Per fortuna, qualche anno prima, Albert Einstein aveva sviluppato la sua teoria della relatività generale, la quale è una teoria descrive come funziona la gravità ed è una teoria che sembra funzionare benissimo.

Quindi, se volete descrivere un universo in cui c’è la gravità, la teoria della relatività generale fa proprio questo. Dire “è colpa della relatività generale” è come dire “è colpa della gravità”.

Altri personaggi dell’epoca, come ad esempio Aleksandr Fridman, colsero la palla al balzo e con un paio di calcoli cominciarono a ipotizzare modelli del nostro universo.
Ma cosa vuol dire avere un modello del nostro universo? Seguendo le linee guida della teoria della relatività generale, praticamente ciò vuol dire buttare giù un paio di equazioni che possano descrivere come si evolve l’universo dal punto di vista di un qualche osservatore. Infatti, la teoria della relatività ci dice proprio che le equazioni possono cambiare quando osservatori diversi, magari che hanno diverse velocità relative, provano a descrivere i fenomeni fisici.

E quale tipo di osservatore viene chiamato in causa per buttare giù le equazioni che ci raccontano come l’universo evolve?

Uno abbastanza particolare: un osservatore per cui l’universo appare essere omogeneo e isotropo. Cosa vuol dire? Perché questa scelta? Senza addentrarci troppo in meandri tortuosi, diciamo che assumendo che non occupiamo un posto speciale nell’universo (questo è il cosiddetto Principio Copernicano), siccome abbiamo prove evidenti che l’universo è isotropo (cioè uguale in tutte le direzioni) abbiamo che l’universo deve essere omogeneo (cioè sempre uguale anche se ci si sposta da un posto all’altro). Insomma, possiamo tranquillamente affermare che l’universo che osserviamo è sempre uguale indipendentemente dal punto in cui ci troviamo o dalla direzione verso cui guardiamo.

Ovviamente, risulta immediatamente chiaro, già buttando un occhio nella vostra camera da letto (o almeno nella mia!), che l’universo non sembra essere omogeneo e isotropo neanche per sbaglio. Cioè, per dire, mentre parlo e mi guardo intorno vedo roba sparsa per casa, come immagino valga per tutti. Vi prego ditemi di sì.

Comunque, tornando all’universo, quando parliamo di omogeneità e isotropia dobbiamo sempre ricordarci che ci riferiamo a proprietà dell’universo in media, cioè che riguardano pezzettoni molto, ma molto grandi del nostro universo, e che contengono, per esempio, moltissimi ammassi di galassie. Non credo ci siano ammassi di galassie nella mia camera da letto. O almeno non che io sappia.

Bene, detto questo e dunque assumendo che l’universo sia omogeneo e isotropo, lasciamo che qualcuno butti giù un paio di equazioni ed ecco che abbiamo un qualcosa che sembra descriverci un universo in cui le galassie si allontanano perché lo spazio tra di esse si espande.
O meglio, non è che lo spazio si “allunghi” ma piuttosto si può pensare che “nuovo” spazio viene creato istante per istante.

 

Il classico esempio dell’espansione dello spazio come un palloncino che si gonfia

 

Ora, che cosa accade nella nostra camera?

Perché lo spazio della mia camera non si espande? Perché le pareti non si allontano così da ottenere una camera più grande senza bisogno di chiedere il permesso al catasto comunale? Perché le equazioni di Einstein della relatività non funzionano tra le mura di casa?
Il motivo è che se guardiamo alla nostra camera da letto notiamo che non possiamo più applicare il concetto di un universo omogeneo e isotropo, neanche se fossimo le persone più ordinate del mondo e, ovviamente, non lo siamo, anzi, non lo sono: c’è sempre un calzino spaiato a ricordarmelo.
Perciò, siccome la camera da letto non è omogenea e isotropa, allora non possiamo applicare le equazioni che Fridman ha calcolato il secolo scorso.

[Inoltre, se proprio vogliamo essere pignoli, ci sarebbe pure il fatto che gli atomi delle pareti sono tenuti insieme da campi elettromagnetici e quindi non sono libere di muoversi nell’universo come pare e piace a loro, essendo sottoposte ad un vincolo.]

E allora? Lo spazio non si espande più?
Non è così. Il punto è che l’interpretazione di spazio che si espande si può dare quando delle precise condizioni (tipo omogeneità e isotropia) si possono applicare al sistema fisico.

E non è il caso della camera da letto. Mi raccomando, ciò non vuol dire che lo spazio si espande su certe scale e non lo fa su altre. Quello che voglio dire è che quando si parla di espansione dello spazio si parla di una descrizione di come osserviamo le proprietà globali dell’universo, ma non quelle locali.

 

Pensiamo all’energia oscura, per esempio.

Non abbiamo idea di cosa sia, per questo assumiamo si tratti di un qualche cosa che abbia una densità omogenea nell’universo. Ma ci serve solo per il nostro esempio.
Dunque, date le proprietà appena descritte, l’aggiunta di energia oscura non cambia le cose e globalmente restiamo omogenei e isotropi.
Localmente invece? Siccome abbiamo aggiunto un qualcosa riempie l’universo in maniera completamente omogenea, sembrerebbe che ora l’omogeneità e l’isotropia si possano applicare anche su piccole scale. E invece no, perché, nonostante tutto, su scale minori abbiamo ancora una maggiore concentrazione di materia (oscura e non) rispetto all’energia oscura e quindi di nuovo abbiamo una situazione non omogenea (dovuta alla distribuzione non omogenea di materia su piccole scale) che non può essere descritta con l’idea di spazio in espansione, poiché tale idea si può usare solo quando proviamo a descrivere qualcosa di omogeneo e isotropo come, per esempio, è il caso dell’universo su grande scala.

 

“Scusa il ritardo ma sai com’è, l’universo continua ad espandersi.”

 

 

Quindi, ricapitolando: la nostra camera da letto non si espande perché non vale l’ipotesi di omogeneità e isotropia e quindi dalle equazioni che descrivono la nostra camera da letto non salta fuori che lo spazio si espande dentro casa nostra.

Il punto è che la teoria della relatività può descrivere tanti tipi di universo, complicati e non. Quello in cui viviamo sembra essere omogeneo e isotropo su scale molto grandi. E con questa ipotesi dalle equazioni salta fuori che dovremmo osservare l’universo in espansione su scale molto grandi. E infatti vediamo le galassie lontane che si allontanano le une dalle altre.

Fino a quando le ipotesi sono valide (cioè su scale molto grandi) la descrizione che abbiamo in mente funziona. Una volta che le osservazioni smentiscono le ipotesi richieste (per esempio nella nostra camera da letto), fallisce la descrizione dell’universo secondo la teoria globale.
Insomma, è una questione complicata

Se non lo si fosse già capito, fare analogie e/o esempi quando si cerca di raccontare come funziona l’universo non è facile e comunicare tramite esempi tipo il palloncino o la pagnotta con l’uvetta o ancora, nel mio caso, il fiume che scorre, non è per forza la cosa migliore da fare.
D’altro canto è questa la sfida della comunicazione della scienza. Insomma, alla fine che sia un esempio o un altro, non è che ci interessino più di tanto le dispute tra astrofisici; l’unica cosa che ci interessa e vogliamo capire, qualitativamente, è come descrivere l’universo che osserviamo.

A volte può essere facile trovare un esempio di vita quotidiana, a volte un po’ meno. Per quanto riguarda la domanda “perché l’universo non si espande nella mia camera da letto?” ora sapete la risposta: perché la camera da letto è il posto meno omogeneo e isotropo dell’universo.

E ora, tutti a riordinare la camera da letto, che non si sa mai che si possa guadagnare qualche metro quadro!

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Per saperne di più suggerisco, a chi ne avesse voglia, questo articolo scientifico (comprese le varie referenze al suo interno): Expanding Space: the Root of all Evil? (in inglese, in sostanza c’è scritto quello che avete letto in questo post in maniera più articolata, con un po’ di equazioni a supporto).


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