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22 ottobre 2010

Quanto è grande l'universo?

Facciamola breve: non lo sappiamo. Potrebbe essere infinito, oppure no. Quello che sappiamo, però, è che noi possiamo guardare soltanto fino a una certa distanza. L'universo, cioè, ha un orizzonte. E l'orizzonte c'è per una ragione molto semplice: la luce, che viaggia con una velocità finita, ha avuto solo un intervallo di tempo finito per propagarsi, ovvero quello trascorso dal big bang a oggi.

Bene. Allora, visto che l'universo ha circa 13,7 miliardi di anni, possiamo semplicemente concludere che il "bordo" dell'orizzonte - la regione più distante che possiamo osservare - si trova a 13,7 miliardi di anni-luce? È questo il raggio dell'universo osservabile?

No. Le cose sono un po' più complicate. Che cosa significa misurare una distanza? La risposta sembra ovvia: significa valutare la separazione tra due punti nello spazio. Ma c'è una condizione che nella vita quotidiana non teniamo presente, perché nella maggior parte dei casi viene naturale: la separazione fra i due punti va misurata nello stesso istante di tempo. Se uso un righello, ho tutto a portata d'occhio, e la cosa è banale. Ma se voglio misurare la distanza tra due treni che si allontanano fra loro, devo anche specificare quando va fatta la misura.

Questa condizione, che sembra ovvia, rende le cose poco intuitive quando viene calata nel contesto di un universo che si espande. Diciamo di voler misurare la distanza tra due punti A e B molto lontani. Il nostro unico righello per unire fisicamente i due punti è la luce. La luce parte da A, e dopo un tempo T arriva a B. Nel mondo "normale", la distanza tra i due punti sarebbe semplicemente data dal tempo T moltiplicato per la velocità della luce. Chiamiamo questa distanza D. Se T è un tempo di 13,7 miliardi di anni, la distanza D è di 13,7 miliardi di anni-luce. Sembra tutto facile. Ma l'universo è strano, e lo spazio si espande. Nel tempo che la luce impiega per coprire metà del percorso tra A e B, la distanza tra A e B aumenta. E nel tempo che impiega per coprire metà della strada restante, la distanza aumenta ancora. E così via. Quando finalmente la luce arriva nel punto B, quindi, il punto A si trova più lontano della distanza che otterremmo moltiplicando semplicemente T per la velocità della luce, ovvero di D. Il risultato corretto non si può ottenere senza usare il calcolo integrale. Inoltre, per fare il calcolo dobbiamo anche sapere quanto velocemente si espande l'universo, e se l'espansione accelera o decelera. Comunque, mettendo insieme tutto quanto, viene fuori che la regione osservabile di universo è più grande di 13,7 miliardi di anni luce. Per quello che ne sappiamo oggi, dovrebbe essere intorno ai 50 miliardi di anni luce di raggio (e quindi un centinaio di miliardi di anni luce di diametro).

Un'ultima cosa. Quando si prova a visualizzare tutto questo, una delle cose che crea confusione è che si pensa al big bang come a un'esplosione che ha sparato tutta la materia all'infuori, cosicché la dimensione dell'universo sarebbe quella data dalla distanza percorsa dalle "schegge" più esterne. Come potrebbero esserci, allora, punti dell'universo fuori dell'orizzonte? Domanda legittima, ma che ha origine da un modo sbagliato di vedere le cose, perché il big bang non è stata un'esplosione. Per quello che ne sappiamo, l'universo può essere stato infinito fin dall'inizio. Il fatto che l'universo si espande significa semplicemente che la distanza tra due punti qualunque aumenta con il tempo. Ai fini pratici, quello che possiamo dire è che la regione di universo osservabile è finita, anche se molto grande. Quello che c'è fuori, letteralmente, lo ignoriamo.
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