Lontano nello spazio, lontano nel tempo


Non è possibile vedere le cose così come effettivamente sono nel momento stesso in cui le si osserva. Ciò dipende dal fatto che la luce ha una velocità finita, anche se incredibilmente elevata. Questa velocità è di 300.000 kilometri al secondo, e rappresenta la velocità massima a cui i corpi materiali possono viaggiare.

Come tutti sanno, noi vediamo un oggetto perché la luce che parte da quell’oggetto colpisce i nostri occhi. E poiché ci vuole del tempo affinché la luce possa coprire la distanza che separa l’oggetto dai nostri occhi, è evidente che noi vedremo sempre le cose non come sono attualmente, ma come erano in passato.

Naturalmente molto dipende dalla distanza a cui si trova l’oggetto che stiamo osservando. Se ciò che si osserva è vicino, come una qualsiasi cosa che si trova sulla Terra, possiamo tranquillamente affermare che l’oggetto che stiamo osservando in questo momento è praticamente identico a come era nell’istante stesso in cui da esso è partita la luce. Quando però si osservano oggetti che stanno nello spazio lontani dalla Terra, il fatto potrebbe essere di un certo interesse perché la luce, prima di giungere ai nostri occhi, potrebbe aver viaggiato anche per molto tempo, e l’oggetto che si sta osservando in quell’istante potrebbe essere molto diverso da come era nel momento in cui da esso partì la luce.

 

VEDERE NEL PASSATO

La luce che proviene dalla Luna, per esempio, impiega poco più di un secondo per giungere sulla Terra e pertanto quando si osserva il nostro satellite naturale in realtà lo si vede come era un secondo prima. Il fenomeno, in questo caso, è privo di conseguenze importanti in quanto sappiamo che la Luna, un secondo prima, era esattamente identica a quella che si vede un secondo dopo, e per sincerarsene basta aspettare appunto un secondo.

Tuttavia, un fatto curioso, conseguente alla distanza che intercorre fra Terra e Luna, accadde in occasione della prima spedizione sul nostro satellite di una navetta con equipaggio a bordo. In quella circostanza fra gli astronauti e i tecnici di Cape Canaveral vi fu uno scambio di messaggi radio al quale assistette anche il pubblico televisivo. Allora fu possibile notare che le risposte degli astronauti venivano fornite con leggero ritardo rispetto al momento in cui da Terra i tecnici avevano terminato di formulare la domanda. Ciò era dovuto al fatto che il messaggio radio, che viaggia anch’esso alla velocità della luce, per giungere sulla Luna alle orecchie degli astronauti, impiegava circa un secondo. Un altro secondo, poi, era necessario affinché il segnale giungesse dalla Luna alla Terra. Quindi, dopo che da Terra i tecnici avevano finito di parlare, alla televisione si poteva notare che gli astronauti rimanevano, per alcuni istanti, silenziosi e attoniti prima di fornire la risposta.

La luce del Sole impiega otto minuti per raggiungerci e in questo caso il fatto potrebbe avere un certo interesse perché noi vediamo il Sole sempre come era otto minuti prima. Se il Sole all’improvviso si spegnesse, o addirittura, per qualche evento misterioso, scomparisse del tutto, noi continueremmo non solo a scaldarci ai suoi raggi per altri otto minuti, ma anche a girargli intorno come se niente fosse successo: le onde gravitazionali che attraggono i corpi massicci viaggiano in­fatti anch’esse alla velocità della luce. Solo dopo otto minuti dalla sparizione del Sole piomberemmo nell’oscurità più completa, voleremmo via nello spazio lungo la tangente e verremmo drammaticamente a conoscenza del fatto che il Sole è sparito dalla sua posizione naturale.

La luce che ci giunge dalle stelle può impiegare centinaia o anche migliaia di anni per coprire lo spazio che ci separa da esse. La Stella Polare, ad esempio, si trova a trecento anni luce di distanza, e la sua luce impiega quindi trecento anni per giungere fino a noi. (L’anno luce è un’unità di misura a cui in astronomia si fa frequentemente ricorso: esso corrisponde alla distanza che la luce percorre in un anno, ossia circa 10 mila miliardi di kilometri.) Pertanto, quando osserviamo la Stella Polare, vediamo in realtà un oggetto così come era trecento anni fa. Oggi quell’oggetto potrebbe essere del tutto diverso, sicuramente spostato in un’altra zona del cielo, ma potrebbe anche non esserci più.

Le galassie sono ancora più lontane. Andromeda, che è la galassia di grandi dimensioni più vicina alla Terra (ed è anche il corpo più lontano che si riesca a vedere ad occhio nudo), dista da noi un paio di milioni di anni luce; quindi, oggi, la vediamo come era due milioni di anni fa. Chissà quante cose sono cambiate in Andromeda dal giorno in cui da essa partì la luce che solo ora giunge sulla Terra!

Ci sono galassie osservabili anche a distanze di 10 o 12 miliardi di anni luce, dalle quali la luce diretta verso il nostro pianeta partì quando in realtà la Terra, che ha solo 4,5 miliardi di anni di vita, ancora non esisteva. Poiché si calcola che questi enormi ammassi di stelle si formarono miliardi di anni fa, noi, quando osserviamo galassie a distanze tanto grandi, le osserviamo in realtà come erano nella loro infanzia. Purtroppo, la visione che si ha di oggetti molto lontani è imperfetta e anche povera di particolari. Questo fatto rappresenta una forte limitazione, perché altrimenti, osservando i raggruppamenti di stelle in formazione, potremmo trarre indicazioni molto utili relativamente ai primi momenti di vita delle galassie e dell’Universo intero.

 

LA “LUCE LENTA”

Guardare lontano nello spazio vuol dire quindi guardare indietro nel tempo. Ciò dipende, come abbiamo visto, dal fatto che la luce ha una velocità finita, anche se molto elevata. Ma quale visione del mondo si avrebbe se la luce viaggiasse a velocità più bassa? Per farcene un’idea proviamo ad immaginare di vivere in un mondo in cui la luce viaggi a 300 metri all’ora invece che a 300.000 kilometri al secondo. Che cosa si vedrebbe ad esempio assistendo ad una partita di calcio? (Qui naturalmente dovremo supporre che non valgano le limitazioni della relatività di Einstein, per le quali niente può viaggiare più veloce della luce altrimenti non solo i giocatori in campo, ma noi stessi ci muoveremmo più lentamente delle lumache).

Innanzitutto si potrebbe tranquillamente arrivare allo stadio con mezz’ora di ritardo senza rischiare di perdere l’azione più importante della partita perché l’immagine del calcio d’inizio arriverebbe agli occhi dello spettatore, che ha trovato posto nelle gradinate di curva, dopo circa mezz’ora dall’inizio della partita stessa. Il centro del campo, che è il punto da cui ha inizio l’incontro, si trova infatti normalmente a più di cento metri di distanza dalla curva dello stadio e la luce, da quel luogo, impiegherebbe quasi mezz’ora per giungere fino al posto in cui si è sistemato il nostro spettatore.

Durante la partita si assisterebbe poi a scene che si potrebbero definire quanto meno bizzarre. Per esempio, si potrebbe assistere all’espulsione di un giocatore e successivamente vedere lo stesso giocatore segnare un gol. Infatti, se l’espulsione del calciatore avvenisse nella zona del campo vicina alla curva in cui aveva trovato posto il nostro ipotetico osservatore e il gol venisse segnato nella porta più lontana dalla curva stessa, le due azioni sarebbero avvenute in realtà in tempi diversi, e più esattamente l’azione del gol si sarebbe svolta precedentemente a quella dell’espulsione. Però, a causa della velocità della luce, che percorre 300 metri all’ora, agli occhi dello spettatore sarebbe arrivata prima l’immagine relativa all’espulsione (più vicina) e successivamente quella del gol (più lontana).

Questa sarebbe una violazione palese della “casualità”, cioè di quel principio secondo il quale la causa deve precedere l’effetto e non viceversa. Nel nostro esempio il giocatore sarebbe la causa e il gol l’effetto ed è assurdo che un gol possa essere segnato da un giocatore che non è in campo. Pertanto dobbiamo dedurre che il ribaltamento del principio di casualità è stato possibile solo perché abbiamo consentito al giocatore di muoversi al rallentatore. Ecco perché violare la legge di relatività di Einstein è impossibile: ne deriverebbe un rovesciamento della casualità; e quindi il caos.

Guardando il campo di gioco, non si vedrebbe quindi lo svolgimento di azioni in rapida successione, ma fasi di gioco confuse avvenute in tempi diversi e precisamente le azioni che hanno avuto luogo nelle zone più lontane del campo sarebbero quelle che si sono svolte prima nel tempo.

Infine, guardando fuori dal campo di gioco, in una strada lontana, il nostro spettatore potrebbe vedere sé stesso che si dirige verso lo stadio dopo aver consumato il caffè al bar dello sport.

 

L’ORIZZONTE COSMICO

A scene dello stesso tipo si assiste 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, allo stadio di quel mondo in cui la luce viaggia a velocità ridotta, si assiste alla realizzazione del gol.

Nel 1987, nella Grande Nube di Magellano, una piccola galassia (nonostante il nome) lontana da noi 150 mila anni luce, esplose una supernova. Si trattò di un fatto eccezionale, perché l’ultima supernova esplosa nelle nostre vicinanze fu quella osservata nel 1604, quando l’uomo non era ancora entrato in possesso di strumenti adeguati all’osservazione del cielo e il fenomeno poté essere osservato solo ad occhio nudo. Il cannocchiale venne utilizzato, per la prima volta, nel 1609 da Galilei.

La supernova del 1987 non apparve nella nostra galassia, come quella del 1604, tuttavia non era nemmeno molto lontana da noi, trovandosi solo quattro volte e mezzo più distante di quanto non fosse l’ultima supernova osservata ad occhio nudo. Potendo, in questo caso, utilizzare ap­parecchiature adatte, fu finalmente possibile studiare relativamente da vicino un’esplosione stellare e raccogliere dati che mai prima d’allora era stato consentito di ottenere.

Ma fino a quale distanza possiamo spingere il nostro sguardo ai confini dell’Universo, grazie alla diffusione di telescopi sempre più potenti? Certo non possiamo pretendere di vedere oggetti la cui luce, per giungere fino a noi, debba avere impiegato un tempo più lungo di quello che rappresenta l’età dell’Universo stesso, come non è possibile vedere una foto di noi stessi scattata prima della nostra nascita. Per farci un’idea di cosa vuol dire guardare lontano nello spazio, e contemporaneamente nel tempo, immaginiamo di mettere in fila su un lungo tavolo le foto che ritraggono noi stessi dalle più recenti fino a quella scattata nel giorno della nascita: è evidente che guardando lontano vedremmo foto sempre più vecchie ma non potremmo vedere una foto posta più in là di quella della nostra nascita, d’altronde mai scattata, semplicemente perché noi non esistevamo. Anche l’Universo prima di una certa data non esisteva e quindi, come per le foto, deve esistere una distanza limite al di là della quale non possiamo spingere il nostro sguardo. Questo limite dell’Universo si chiama «Orizzonte Cosmico» e nessun telescopio, per quanto potente, potrà mai valicarlo. Ma quanto lontano da noi si trova questo estremo orizzonte dell’Universo?

Secondo i calcoli dei cosmologi, l’Universo dovrebbe avere un’età di circa 15 miliardi di anni; prima di quel tempo non vi era nulla. Pertanto, la luce che fosse partita dagli oggetti celesti che costituivano l’Universo appena nato dovrebbe arrivare sulla Terra dopo aver compiuto un viaggio durato 15 miliardi di anni. L’Orizzonte Cosmico dista dunque da noi 15 miliardi di anni luce.

Questa luce che proviene da molto lontano arriva effettivamente fino ai nostri occhi (o meglio agli strumenti di rilevazione), ma molto indebolita, avendo dovuto viaggiare nello spazio per lungo tempo e avendo dovuto coprire una distanza di 150 mila miliardi di miliardi di kilometri (ossia 15 miliardi di anni luce). Si tratta della cosiddetta radiazione cosmica di fondo a 3 gradi kelvin, una radiazione elettromagnetica che rappresenta il residuo, raffreddato e diluito, della vampata iniziale che ha dato il via all’Universo intero.

 

L’ESPANSIONE DELL’UNIVERSO

Però la cosa non finisce qui. L’Universo in cui viviamo, non solo è molto esteso, ma si va anche ulteriormente espandendo. Esso cioè, col passare del tempo, si ingrandisce sempre più.

Questo fenomeno è stato rilevato per la prima volta nel 1929, da Edwin P. Hubble, un astronomo americano il quale osservò che tutte le galassie si stavano allontanando da noi. Egli notò anche che quanto più una galassia si trovava distante, tanto maggiore era la sua velocità di allontanamento.

Si parlò allora di grande esplosione, o Big Bang, perché si immaginò che all’inizio tutte le galassie fossero riunite nello stesso punto. Per questo motivo a volte l’espansione dell’Universo viene paragonata 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.

Che cosa si vedrebbe intorno a noi, trovando sistemazione su uno di questi acini? Innanzitutto non ci si renderebbe conto del movimento (proprio come stando sulla Terra non ci si rende conto che si sta orbitando velocemente attorno al Sole). Ma si noterebbe invece che gli acini che ci stanno intorno si allontanano tutti da noi, e lo fanno tanto più velocemente quanto più sono distanti. Il moto degli acini non è però causato da un loro spostamento attraverso l’impasto del panettone, ma dalla lievitazione stessa della pasta che, gonfiandosi, li allontana l’uno dall’altro.

 

RECESSIONE COSMICA

Per quanto riguarda il fatto che le galassie si allontanano a velocità sempre maggiore quanto più sono distanti da noi, esso risulta agevole da spiegare ricorrendo al paragone dei soldati allineati. Immaginiamo allora 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, battendo quasi il record di velocità a piedi.

E’ chiaro che, di questo passo, se i soldati dovessero muoversi con le proprie gambe, arriverebbero ben presto alla loro velocità limite (data dalle possibilità muscolari) e il loro allontanamento non potrebbe più continuare: il metodo, da un certo punto in poi, non funzionerebbe più. Proprio come non potrebbe funzionare l’espansione dell’Universo se le galassie dovessero realmente viaggiare attraverso lo spazio: esse, dopo un certo tempo, raggiungerebbero la loro velocità limite (imposta dalle leggi della fisica), che è la velocità della luce, e l’espansione non potrebbe più aver luogo.

Diversamente, se i nostri soldati fossero sistemati sopra una lunga corsia di gomma, essi potrebbero rimanere fissi sull’attenti al loro posto, e tuttavia allontanarsi l’uno dall’altro, se la corsia venisse tesa ed allungata sotto i loro piedi. Analogamente, le galassie sono in realtà ferme ciascuna al suo posto nello spazio, mentre è lo spazio stesso che cresce e si dilata tra di esse. Ed è per questo che, anziché parlare di “velocità” (che implica movimento), i cosmologi preferiscono il termine “recessione”.

Questo concetto è importante perché, secondo una teoria molto recente, all’inizio l’Universo si sarebbe espanso in modo incredibile gonfiandosi di molti ordini di grandezza in un tempo estremamente breve, ad una velocità quindi enormemente più grande della velocità della luce. Questa fulminea espansione, a cui sarebbe andato incontro l’Universo nei primi istanti della sua esistenza, è detta «inflazione», e sarebbe avvenuta senza violare la legge fisica che afferma che nulla può viaggiare a velocità superiore alla velocità della luce.

 

L’IGNOTO

L’espansione dell’Universo ci pone davanti ad un altro problema molto strano. Consideriamo le galassie in formazione, che i telescopi più potenti riescono a scorgere alla distanza di 15 miliardi di anni luce da noi e che si trovano quindi vicino al limite in cui si vede la formazione dell’Universo. Queste galassie rappresentano, come abbiamo detto, gli ultimi oggetti visibili, in quanto più in là di così non vi è più nulla da osservare. Siamo arrivati là dove finisce l’Universo visibile perché in realtà siamo arrivati là dove l’Universo stesso nasce. La fine dello spazio accessibile all’osservazione coincide, infatti, con l’inizio del tempo. Nella similitudine precedente delle foto allineate sul tavolo sarebbe come vedere l’ultima della fila, la più lontana nello spazio e la prima nel tempo: quella della nascita.

Però, l’Universo che attualmente siamo in grado di osservare, non corrisponde all’Universo che in questo momento effettivamente esiste. Le galassie che ci appaiono ai telescopi non sono le attuali, ma quelle che esistevano moltissimi anni fa, quando cioè la luce che giunge oggi ai nostri occhi iniziò il suo cammino.

La luce che proviene da galassie lontane ci porta informazioni di cose vecchie e questo fatto potrebbe sembrare una restrizione, un limite alle nostre possibilità di osservazione e invece rappresenta, dal punto di vista scientifico, una vera fortuna. Si pensi a quanto sarebbe interessante, per un paleontologo, poter vedere indietro nel tempo ed osservare i dinosauri muoversi e agire nel loro ambiente invece che essere costretto a ricostruire l’habitat nel quale vissero queste antiche creature utilizzando pochi frammenti del loro corpo conservati nelle rocce, nonché a far leva sulla sua capacità di immaginazione.

Ad onore del vero dobbiamo specificare che attualmente ciò che si riesce a vedere all’interno delle galassie più lontane è molto poco, ma un giorno (non molto lontano) con l’utilizzo di apparecchiature nuove e molto potenti attualmente in progettazione, i cosmologi saranno in grado di osservare nei dettagli anche le galassie più lontane e scoprire finalmente che cosa è successo al loro interno quando si formarono.

 

L’ULTIMA ESTRAPOLAZIONE

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.

Il fatto che si possa vedere “solo” fino a 15 miliardi di anni luce di distanza, non significa che non esistano spazi cosmici più lontani. Significa semplicemente che, 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. Sarebbe un po’ come pretendere di vedere una foto di noi stessi scattata 100 anni fa: è impossibile semplicemente perché 100 anni fa ciascuno di noi (salvo rare eccezioni) non era ancora nato, ma se si aspetta qualche anno la cosa sarà possibile.

Ma qual era la grandezza dell’Universo quando è nato? O meglio, di che grandezza era l’Universo immediatamente dopo essere apparso dal nulla? L’Universo reale è sicuramente più grande di quello che riusciamo ad osservare in questo momento e lo dimostra il fatto che l’Orizzonte Cosmico si va ingrandendo con il passare del tempo inglobando regioni cosmiche che attualmente ci sono ignote.

L’Orizzonte Cosmico si va ingrandendo, con il passare del tempo, nello stesso modo in cui si andrebbe ingrandendo l’orizzonte terrestre di un osservatore che salisse su una montagna: e tutto ciò, si badi, indipendentemente dal fatto che l’Universo (o la Terra), nel frattempo, si vada espandendo. Certo, l’espansione dell’Universo esalta ulteriormente il fenomeno, come accadrebbe se la Terra si gonfiasse a mano a mano che il nostro osservatore si arrampica sulla montagna.

In conseguenza di ciò, ogni giorno ci arrivano radiazioni “nuove”, ossia segnali luminosi (e anche di altro tipo), che il giorno prima si trovavano immediatamente dietro l’Orizzonte Cosmico, così come, all’osservatore che scala la montagna, appaiono, ad ogni passo in salita, territori che si trovavano, un momento prima, al di là del suo orizzonte geografico. Finora non vi sono state sorprese, ma non è da escludere (anche se le possibilità sono assai remote) che un giorno possa giungere fino a noi qualche radiazione particolarmente dannosa di cui, al momento, si ignora la natura, così come all’alpinista che continui a scalare la montagna, possa stagliarsi dinanzi la visione di un panorama inaspettato nel momento in cui raggiunge un punto più alto della montagna stessa.

La cosa più ragionevole da pensare, quindi, è che al di là dell’Orizzonte Cosmico vi siano sconfinati spazi popolati di galassie, 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. Nell’Universo in cui viviamo tutte le posizioni (compresa la nostra) hanno la stessa importanza. Questa affermazione prende il nome di «Principio copernicano», anche se in realtà non fu proposto da Copernico il quale tuttavia, nel Rinascimento, fu il primo a rifiutare la concezione geocentrica del mondo.

Ma questo fatto, se da un lato ci delude e ci ferisce nel nostro orgoglio, dall’altro ci garantisce una grande tranquillità, poiché ci assicura che intorno a noi abbiamo un campione di Universo molto comune e quindi presumibilmente rappresentativo del cosmo in generale.

Prof. Antonio Vecchia

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