L’universo può espandersi più velocemente della velocità della luce?
universo osservabile. Le galassie lasciano il posto alla struttura su larga scala e al plasma caldo e denso del Big Bang alla periferia. Image credit: Pablo Carlos Budassi (Unmismoobjetivo) under a c.c.a.-s.a.-3.0 license.
Una delle più famose leggi fondamentali di Einstein è che niente nell’Universo può viaggiare più veloce della velocità della luce nel vuoto. Se sei una particella senza massa, devi viaggiare a quella velocità, e se hai una massa non nulla, ti è impossibile raggiungere quella velocità, non importa quanta energia ci pompi dentro. Ancora più sorprendente e controintuitivo è questo: se una particella che si muove vicino alla velocità della luce spara un’altra particella che si muove vicino alla velocità della luce, questa non si muove a quasi il doppio della velocità della luce. Infatti, non può ancora raggiungere la velocità della luce stessa! Ma queste regole si applicano solo, rigorosamente, alle particelle che si trovano nella stessa posizione l’una dell’altra nello spaziotempo. Nell’Universo in espansione – nello spaziotempo curvo in generale – le regole sono molto diverse. A seconda di come la si veda, l’espansione dell’Universo stesso non è affatto legata alla velocità della luce.
Come è possibile? Cominciamo con la velocità della luce, e cosa significa.
comedynose (Pete), che illustra il movimento veloce e relativistico. Immagine recuperata tramite https://www.flickr.com/photos/comedynose/23696582553.
Non importa dove sei o cosa sei, c’è un limite assoluto alla velocità con cui puoi muoverti nello spazio. Si potrebbe pensare che spendendo sempre più energia, ci si può muovere più velocemente… e anche se questo è vero, è vero solo fino a un certo punto. Se ti muovi a pochi metri all’ora, o a pochi chilometri all’ora, o anche a pochi chilometri al secondo, come fa la Terra orbitando intorno al Sole, probabilmente non noterai nemmeno le barriere che esistono per muoversi a una velocità infinita. Ma esistono lo stesso, anche se in modo sottile. Vedete, più velocemente vi muovete – più grande è il vostro movimento nello spazio – più lento diventa il vostro movimento nel tempo. Immaginate di essere completamente a riposo sulla superficie terrestre, e di avere un amico che inizia con voi, anch’esso a riposo, ma poi decolla su un jet per sfrecciare intorno al mondo. Prima che tu e il tuo amico partiate, entrambi sincronizzate gli orologi, fino al microsecondo.
Se tu avessi un orologio abbastanza sensibile, scopriresti che – quando il tuo amico ha completato il suo viaggio ed è tornato da te – i vostri orologi erano solo leggermente fuori sincrono tra loro. Il tuo orologio mostrerebbe un tempo leggermente più tardivo di quello del tuo amico, probabilmente solo di decine di microsecondi, ma abbastanza diverso che una misurazione precisa sarebbe in grado di distinguerli.
E più si va veloce, più la differenza diventa pronunciata.
Gli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale, che sfrecciano intorno alla Terra in soli 90 minuti, vedono i loro orologi rallentare di secondi; al ritorno sulla Terra, la differenza nella quantità di tempo che è passata si nota anche con gli orologi tradizionali. La cosa strana è che non sono solo gli orologi a funzionare diversamente a causa delle alte velocità con cui abbiamo a che fare, ma è il tempo stesso che passa a una velocità diversa.
Il fatto che gli orologi girino più lentamente ad alte velocità è solo un artefatto del fenomeno più ampio che il tempo e lo spazio sono collegati, e che un movimento più veloce attraverso lo spazio significa un movimento più lento attraverso il tempo. La connessione tra i due – spazio e tempo – è data dalla velocità della luce. Più ci si avvicina alla velocità della luce, più il passaggio del tempo si avvicina asintoticamente a zero.
Questo è il motivo per cui un muone, una particella instabile con una vita media di soli due microsecondi, può essere creato in cima all’atmosfera a velocità molto vicine alla velocità della luce, e può arrivare fino alla superficie terrestre. È un viaggio di circa 100 km, mentre se si muovesse solo a 300.000 km/s (la velocità della luce) per 2,2 microsecondi, decadrebbe dopo aver percorso solo lo 0,6% della distanza necessaria. La ragione per cui un muone può arrivare sulla superficie terrestre – e se si allunga la mano, circa un muone ci passa attraverso ogni secondo – è a causa di questo effetto della relatività.
ammasso di galassie situato nelle vicinanze, a soli 330 milioni di anni luce di distanza. Image credit: Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona, sotto c.c.-by-s.a.-3.0.
Così che cosa, ora, dell’Universo in espansione? Sapete che se guardate una galassia, in media, più lontano si trova quella galassia da noi, più velocemente sembra allontanarsi da noi. Le galassie nell’Ammasso della Vergine, distanti circa 50-60 milioni di anni luce, si allontanano da noi in media a circa 1200 km/s; le galassie nell’Ammasso della Coma, distanti circa 330 milioni di anni luce, sembrano allontanarsi da noi a 7000 km/s.
Più lontano guardiamo, più velocemente queste galassie e ammassi sembrano allontanarsi. Certo, ci sono piccole variazioni di qualche centinaio o anche mille km/s dovute ai moti locali e all’effetto delle forze gravitazionali vicine, ma sulle scale più grandi – e alle distanze maggiori – possiamo vedere che più lontano guardiamo, più velocemente queste galassie si allontanano da noi. Questa osservazione, fatta per la prima volta da Edwin Hubble negli anni ’20, è ciò che dà origine alla legge di Hubble, o la legge che regola l’espansione dell’Universo. Con le migliori osservazioni moderne a nostra disposizione, questa legge continua per miliardi di anni luce in tutte le direzioni.
da Betoule et al. (2014), via http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.
“Aspettate”, vi sento protestare. “E la velocità della luce?” Infatti, che dire della velocità della luce? Certo quella barriera invisibile – quella che impedisce a tutte le forme di materia di muoversi oltre una certa velocità – entrerebbe in gioco, e impedirebbe alle galassie di allontanarsi oltre un certo punto, no? Il tempo asintotterebbe e cesserebbe di passare man mano che ci si avvicina a quella velocità, ed è vietato per sempre passare a una velocità inferiore a zero, altrimenti queste galassie si sposterebbero indietro nel tempo, giusto?
Lo si potrebbe pensare, ma abbiamo lasciato fuori un pezzo importante del puzzle. La velocità della luce si applica solo, come limite, agli oggetti che si muovono uno rispetto all’altro nella stessa posizione nello spazio.
L’astronauta Scott Kelly insieme a suo fratello, l’ex astronauta Mark Kelly al Johnson Space Center. Scott ha trascorso un anno nello spazio, a bordo della ISS, mentre Mark è rimasto a terra. Image credit: NASA / Robert Markowitz.
Quando il tuo amico partiva con il suo aereo e tornava con l’orologio leggermente indietro rispetto al tuo, era perché vi incontravate di nuovo nello stesso luogo. Quando gli astronauti sono tornati sulla Terra, con il loro viaggio più breve del tuo di diversi secondi, è stato perché vi siete ritrovati nella stessa posizione. Anche il muone, muovendosi vicino alla velocità della luce, viaggiava relativamente al vostro quadro di riferimento qui sulla Terra, ed è per questo che i suoi effetti erano osservabili.
Ma là fuori, nel lontano Universo, queste galassie non si muovono affatto. Piuttosto, lo spazio tra di loro si sta espandendo, ma le singole galassie sono in qualche modo ferme rispetto allo spazio stesso.
Si potrebbe essere insicuri di questa mera previsione teorica, ma c’è una prova che si può fare: osservando queste galassie lontane e misurando i loro redshift e le loro distanze, si può verificare come si muovono a distanze enormi rispetto alle previsioni della relatività.
Vedete, la relatività si presenta in due forme: la relatività speciale, che esiste in uno spazio piatto e statico e solo il movimento degli oggetti attraverso lo spazio e il tempo contano, e la relatività generale, dove lo spazio stesso si evolve e/o si contrae nel tempo, con materia ed energia che determinano la curvatura dello spaziotempo, e la relatività speciale che esiste sopra di essa. Ecco come le due previsioni differiscono.
Previsioni (solido) per le distanze nell’Universo in espansione. Definitivamente, solo le previsioni della GR corrispondono a ciò che osserviamo. Image credit: Wikimedia Commons user Redshiftimprove.
Quasi drammatico, vero? Come si è scoperto, le nostre osservazioni favoriscono definitivamente l’interpretazione relativistica generale, ed escludono completamente quella in cui lo spazio è statico. Quindi cosa significa questo, quando mettiamo tutto insieme? Cosa significa per il nostro Universo in espansione, anche quando aggiungiamo l’energia oscura?
Significa che, con il passare del tempo, la luce emessa dalle galassie lontane viene spostata abbastanza pesantemente verso la parte rossa dello spettro, con conseguente redshift cosmologico. Significa che ci sono alcune porzioni dell’Universo che sono così lontane che la luce emessa da esse non sarà mai in grado di raggiungerci. Attualmente, quel punto è qualsiasi cosa al di là di circa 46,1 miliardi di anni luce da noi, dato che il nostro Universo, per il meglio che possiamo misurare, è stato circa 13,8 miliardi di anni dal Big Bang.
E significa che qualsiasi oggetto oltre circa 4,5 Gigaparsecs (o 14-15 miliardi di anni luce) non sarà mai raggiungibile da noi, o qualsiasi cosa facciamo, da questo punto in avanti. Tutti questi oggetti – oggetti che costituiscono il 97% dell’Universo osservabile per volume – sono tutti attualmente fuori dalla nostra portata. Anche un fotone, emesso in questo momento, non arriverà mai a loro, se quella è la nostra destinazione.
California, Davis), J. Hughes (Rutgers University), F. Menanteau (Rutgers University e University of Illinois, Urbana-Champaign), C. Sifon (Leiden Observatory), R. Mandelbum (Carnegie Mellon University), L. Barrientos (Universidad Catolica de Chile), e K. Ng (University of California, Davis).
Quindi sì, col passare del tempo, tutti gli oggetti che sono coinvolti nell’espansione dell’Universo accelereranno lontano da noi, sempre più velocemente. Lasciate passare abbastanza tempo, e tutti loro finiranno per allontanarsi più velocemente della velocità della luce, irraggiungibili da noi in linea di principio, non importa quanto veloce sia il razzo che costruiamo o quanti segnali lanciamo e la velocità della luce stessa. L’unica cosa che possiamo fare?
Iniziare i viaggi intergalattici il prima possibile, prima che sia troppo tardi. L’universo che abbiamo oggi sta scomparendo grazie all’espansione accelerata dello spazio. Anche se nessun oggetto si muove attraverso il tessuto dello spazio più velocemente della velocità della luce, non c’è un limite di velocità per l’espansione del tessuto stesso; semplicemente fa quello che l’universo impone.
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