Se ti venisse chiesto di descrivere come puoi muoverti nello spazio, probabilmente penseresti a tutte le diverse direzioni in cui sei libero di spostarti. Potresti andare a sinistra o a destra, in avanti o all’indietro, e in alto o in basso; questo è tutto. Queste tre direzioni indipendenti, descritte da qualcosa di semplice come una griglia, descrivono tutti i modi possibili per muoversi attraverso lo spazio.

Ma c’è una quarta dimensione che è altrettanto importante, anche se molto diversa: il tempo. Al contrario delle tre dimensioni canoniche, il tempo può andare solo avanti, non si può tornare indietro, ma è proprio una dimensione, quanto una di quelle spaziali.

Sia che si dica che viviamo in un universo quadridimensionale descritto dal tessuto dello spaziotempo o in un universo tridimensionale + 1, in cui abbiamo tre dimensioni spaziali più una dimensione temporale, non è possibile separare queste entità l’una dall’altra. Proviamo a capire perché.

Questa visione dettagliata e simile alla foto della Terra si basa in gran parte sulle osservazioni dello spettroradiometro per immagini a risoluzione moderata (MODIS) sul satellite Terra della NASA. Sulla superficie di un mondo come la Terra, sono necessarie solo due coordinate (ad esempio, latitudine e longitudine) per definire una posizione. Se sono consentite posizioni sotterranee o posizioni al di sopra della superficie, è richiesta anche una terza dimensione spaziale. – NASA

Gli esseri umani, per la maggior parte, vivono solo sulla superficie della Terra. Quando vogliamo descrivere dove ci troviamo, in genere dobbiamo solo fornire due coordinate: una latitudine e una longitudine. Abbiamo solo bisogno di questi due valori, che descrivono dove siamo situati lungo gli assi nord-sud ed est-ovest del nostro pianeta, perché la terza dimensione è un dato: siamo sulla superficie terrestre.

Ma se andassi sottoterra o in aria sopra la superficie terrestre, sarebbe necessaria una terza coordinata per descrivere con precisione la tua posizione: altitudine/profondità o dove ti trovi sull’asse su-giù. Dopotutto, qualcuno situato esattamente alla stessa latitudine e longitudine di te – alle stesse coordinate bidimensionali ⁠ – potrebbe facilmente trovarsi in un tunnel sotterraneo o su un elicottero. Non starebbe necessariamente nella stessa tua posizione, sono necessarie tre informazioni indipendenti per individuare la tua posizione nello spazio.

La tua posizione nell’Universo non è solo descritta da coordinate spaziali (dove), ma anche da una coordinata temporale (quando). È impossibile spostarsi da una posizione spaziale a un’altra senza spostarsi nel tempo.

Ma anche due oggetti diversi con le stesse esatte coordinate spaziali tridimensionali potrebbero non sovrapporsi. Il motivo è facile da capire se pensiamo alla sedia su cui siamo seduti in questo momento. Si può sicuramente essere nella stessa posizione accuratamente descritta dalle tre coordinate spaziali più familiari:  x,  y, e  z. Questa sedia, tuttavia, è occupata da noi proprio ora, in questo preciso momento, al contrario di ieri, un’ora fa, la settimana prossima o tra dieci anni.

Per descrivere completamente un evento nello spaziotempo, devi sapere di più: non solo dove si verifica, ma anche quando si verifica. Oltre a  x,  y, e  z, è necessaria anche un coordinata temporale:  t.

Sebbene questa cosa possa sembrare ovvio, non è stata molto considerata dalla fisica fino allo sviluppo della relatività di Einstein, quando i fisici hanno iniziato a pensare al problema della simultaneità.

Immaginiamo, due posizioni separate ⁠ – un punto “A” e un punto “B” ⁠— collegati da un percorso.

Puoi scegliere due punti qualsiasi e tracciare un percorso monodimensionale (lineare) che li collega. Se hai bisogno che qualcuno passi dal punto A al punto B contemporaneamente a qualcuno dal punto B al punto A, ci sarà sempre un evento nello spazio-tempo in cui entrambi quei viaggiatori occupano lo stesso punto in tutte e quattro le dimensioni.

Immaginiamo di avere una persona che inizia a muoversi da A mentre l’altra parte da B, e ciascuna viaggia verso l’altro punto. Puoi visualizzare la posizione di ognuno posizionando un dito di ciascuna mano su A e B, e poi “spostandoli” verso le rispettive destinazioni. Non c’è modo per la persona che inizia da A di arrivare a B senza passare attraverso l’altra persona, e non c’è modo che la persona che inizia da B possa arrivare ad A senza attraversare la prima persona.

In altre parole, affinché ogni persona arrivi a destinazione, dovrà esserci un momento in cui ciascuna delle due dita occuperà lo stesso punto contemporaneamente. In relatività, questo è noto come evento simultaneo: dove tutte le coordinate dello spazio e del tempo di due diversi oggetti fisici si sovrappongono. Questo non è solo non controverso, è matematicamente dimostrabile.

Se permetti a una palla da tennis di cadere su una superficie dura come un tavolo, puoi essere certo che rimbalzerà indietro. Per descrivere la posizione di una particella come questa pallina da tennis, è necessario tenere adeguatamente conto del suo movimento attraverso l’Universo, che richiede non solo informazioni sulla sua posizione spaziale, ma anche come tale posizione si evolve nel tempo. Solo includendo una coordinata temporale insieme a tre spaziali possiamo parlare accuratamente del moto degli oggetti attraverso il nostro Universo.

Questo esperimento mentale spiega perché il tempo deve essere considerato come una dimensione in cui ci muoviamo, proprio come le nostre dimensioni spaziali sono dimensioni in cui ci muoviamo. Non è stato Einstein, tuttavia, a mettere insieme spazio e tempo in un’unica formulazione che li ha lasciati indissolubili. Invece, fu l’ex professore di Einstein, Hermann Minkowski, a capire quanto fossero inseparabili queste due entità.

Meno di tre anni dopo che Einstein introdusse la sua teoria della relatività speciale, Minkowski dimostrò la loro unità con una brillante linea di ragionamento. Se desideri spostarti nello spazio, non puoi farlo istantaneamente; devi spostarti da dove ti trovi adesso in un’altra posizione spaziale, dove arriverai solo ad un certo punto in futuro. Se sei qui adesso, non puoi essere altrove nello stesso momento, puoi arrivarci solo più tardi. Muoversi nello spazio richiede anche di spostarsi nel tempo.

Uno sguardo animato su come lo spazio-tempo risponde mentre una massa si muove attraverso di essa aiuta a mostrare esattamente come, qualitativamente, non è semplicemente un foglio di tessuto ma tutto lo spazio stesso viene curvato dalla presenza e dalle proprietà della materia e dell’energia all’interno dell’Universo. Notare che lo spaziotempo può essere descritto solo se includiamo non solo la posizione dell’oggetto ma anche dove tale massa si trova nel tempo. Sia la posizione istantanea che la storia passata di dove si trovava quell’oggetto determinano le forze sperimentate dagli oggetti che si muovono attraverso l’Universo.

Ciò che presentò la pubblicazione della relatività speciale di Einstein fu la relazione quantitativa tra il proprio moto attraverso lo spazio e il proprio moto nel tempo. Ci ha insegnato che la velocità della luce nel vuoto è un limite di velocità universale e che quando ci si avvicina, si verificano i bizzarri fenomeni di contrazione della lunghezza e dilatazione del tempo.

Ma Minkowski fece un grande balzo in avanti quando realizzò, matematicamente, che muoversi attraverso il tempo è esattamente la stessa cosa che muoversi attraverso lo spazio, tranne con due ulteriori fattori moltiplicativi:  c , la velocità della luce nel vuoto e io il numero immaginario √ ( -1). Dopo aver completato la sua derivazione dello spaziotempo per la prima volta, Minkowski dichiarò che: “D’ora in poi lo spazio da solo, e il tempo da solo, sono destinati a svanire in semplici ombre, e solo una sorta di unione dei due manterrà una realtà indipendente”.

Mettendo insieme queste rivelazioni, si arriva ad un’immagine molto diversa dell’Universo rispetto a quella che si intuiva in base alle vecchie nozioni newtoniane di spazio assoluto e tempo assoluto. Mentre ti muovi attraverso l’Universo in particolare, sperimenterai cambiamenti nel modo in cui lo spazio e il tempo passano per te.

• Se sei fermo e immobile, rimanendo nella stessa posizione spaziale, avanzerai nel tempo alla massima velocità possibile.
• Mentre ti muovi nello spazio più rapidamente, ti sposterai nel tempo più lentamente (il tempo si dilata) e sembreranno esserci le distanze spaziali più brevi lungo la direzione del tuo movimento (contrazione della lunghezza).
• E se tu fossi senza massa, non avresti altra scelta che muoverti alla velocità della luce. Le distanze lungo la direzione di movimento si riducono a zero; li attraverseresti istantaneamente. Allo stesso modo, il tempo si dilaterà all’infinito; il tuo viaggio impiegherà zero tempo dalla tua prospettiva.

Un orologio-luce, formato da un fotone che rimbalza tra due specchi, definirà il tempo di ogni osservatore. Sebbene i due osservatori potrebbero non essere d’accordo l’uno con l’altro su quanto tempo passa, essi concorderanno sulle leggi della fisica e sulle costanti dell’Universo, come la velocità della luce. Un osservatore stazionario vedrà il tempo passare normalmente, ma un osservatore che si muove rapidamente attraverso lo spazio farà funzionare il suo orologio più lentamente rispetto all’osservatore stazionario.

Quando si esaminano quali siano le implicazioni fisiche di queste considerazioni, si scopre che sono a dir poco sorprendenti. Si capisce che tutte le particelle senza massa sono intrinsecamente stabili; poiché non passa tempo per loro nel loro quadro di riferimento, non possono mai decadere. Le particelle instabili che vengono create, anche con tempi di vita estremamente brevi, possono percorrere distanze molto maggiori di quelle che avresti assunto moltiplicando ingenuamente la loro velocità per il tempo in cui vivono.

Ad esempio, un muone, creato nell’atmosfera superiore a circa 60-100 km, raggiungerà la superficie terrestre, anche se la durata della sua vita (2,2 µs) significa che non dovrebbe nemmeno viaggiare per 1 chilometro a velocità vicine alla luce prima di decadere. Questo significa anche che le cose che iniziano identiche non rimarranno necessariamente così: due gemelli identici, di cui uno rimane sulla Terra e l’altro fa un viaggio nello spazio, invecchieranno a velocità diverse, con il gemello in viaggio che si ritrova più giovane (sperimentando un trascorrere del tempo più lento) rispetto al gemello rimasto sulla Terra.

Non è possibile trattare lo spazio e il tempo separatamente, poiché sono indissolubilmente collegati; muoversi attraverso l’uno influenza il movimento attraverso l’altro, indipendentemente da qualsiasi altra proprietà inerente al tuo spaziotempo.

Oggi, la relatività speciale è stata sostituita dalla relatività generale, che comprende anche la curvatura inerente allo spazio stesso. Indipendentemente dalle proprietà dell’Universo in cui abiti, il tuo movimento attraverso lo spazio e il tempo non può essere trattato separatamente l’uno dall’altro; hai bisogno di entrambi, insieme, per descrivere la tua realtà.

Il tempo è una dimensione, esattamente come lo spazio, così come non importa come sposti te stesso attraverso lo spazio, devi sempre andare avanti nel tempo. Talvolta è scritto che il nostro Universo è tridimensionale + 1 anziché quadridimensionale perché il tempo è su un piano leggermente separato: aumentare il movimento attraverso lo spazio diminuisce il movimento attraverso il tempo e viceversa.

Conoscendo tutte le regole che regolano il modo in cui un oggetto si sposterà attraverso lo spazio-tempo, nonché le condizioni iniziali e le forze in azione tra l’oggetto e il resto del tuo sistema, dovresti essere in grado di prevedere come questo oggetto si sposterà sia nello spazio che tempo. Non è possibile descrivere accuratamente la posizione di un oggetto senza includere una coordinata temporale oltre a quelle spaziali. – (Tristan Fewings / Getty Images)

Forse il fatto più notevole della relatività di Einstein è che chiunque, indipendentemente da come si muove nello spazio rispetto a chiunque altro, vedrà che il loro movimento attraverso lo spazio e il tempo è governato dalle.

Cambiare il tuo movimento attraverso lo spazio si tradurrà in effetti prevedibili e conseguenze per il tuo movimento nel tempo, e ogni volta che incontrerai un altro osservatore nelle stesse coordinate di spazio e tempo, potrete entrambi essere d’accordo su ciò che è simultaneo per te in quel preciso momento.

Se il tempo non fosse una dimensione con le proprietà esatte che possiede, la relatività speciale non sarebbe valida e non potremmo costruire lo spaziotempo per descrivere il nostro Universo.

Abbiamo bisogno di tempo come dimensione inestricabile dallo spazio affinché la fisica funzioni come funziona. Quando qualcuno ti chiede se viviamo in un universo tridimensionale, sii orgoglioso di aggiungere un “+1“, rispettando il tempo.

Fonte: Forbes

I neutrini sono ovunque sono quasi impercettibili e passano attraverso la materia quasi senza interagire con essa. Ne sappiamo poco, nemmeno quanto siano pesanti. Ma sappiamo che i neutrini potenzialmente possono alterare la forma dell’universo.

Grazie a queste caratteristiche un team di scienziati ha provato a dare qualche risposta alle tante domande su queste misteriose particelle. A causa della fisica, i comportamenti delle particelle più piccole alterano i comportamenti di intere galassie e altre gigantesche strutture celesti. E se si vuole descrivere il comportamento dell’universo, si devono prendere in considerazione le proprietà dei suoi componenti più piccoli.

In un nuovo articolo, che sarà pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, i ricercatori hanno calcolato la massa del neutrino più leggero (ci sono tre tipi di neutrini con masse differenti) ricavandola da misurazioni precise della struttura su larga scala dell’universo. Hanno utilizzato i dati sui movimenti di circa 1,1 milioni di galassie forniti dal Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, informazioni cosmologiche e i risultati ottenuti da esperimenti sui neutrini su piccola scala sulla Terra e hanno fornito tutte queste informazioni a un supercomputer.

“Abbiamo utilizzato più di mezzo milione di ore di tempo computer per elaborare i dati“, ha dichiarato in una nota il coautore dello studio Andrei Cuceu, uno dottorando in astrofisica presso l’University College di Londra. “Ciò equivale a quasi 60 anni su un singolo processore. Questo progetto ha spinto i limiti per l’analisi dei big data in cosmologia“.

Il risultato non offre un unico numero per la massa del tipo di neutrino più leggero, ma lo restringe in un determinato range: quella specie di neutrino ha una massa non superiore a 0,086 elettronvolt (eV), o circa sei milioni di volte inferiore a la massa di un singolo elettrone.

Quel numero imposta un limite superiore, ma non un limite inferiore, per la massa delle specie più leggere di neutrino. Secondo quanto scritto nel documento dagli autori è possibile che non abbia alcuna massa.

Quello che i fisici sanno è che almeno due delle tre specie di neutrino devono avere una certa massa e che esiste una relazione tra le loro masse (Questo documento stabilisce anche un limite superiore per la massa combinata di tutti e tre i gusti: 0,26 eV).

Le masse delle tre specie di neutrino, elettronico, tau e mu, non si allineano con i tre sapori del neutrino (elettrone, tau e mu). Secondo il Fermilab, ogni sapore del neutrino è composto da una miscela quantistica della massa delle tre specie del neutrino.

Quindi un neutrino tau contiene un po’ della specie di massa 1, un po’ di specie 2 e un po’ di specie 3. Queste diverse specie di massa consentono ai neutrini di oscillare tra i sapori, come ha stabilito una scoperta del 1998 (che ha vinto il Premio Nobel per la fisica).

I fisici non possono mai individuare in modo perfetto le masse delle tre specie di neutrini, ma possono continuare ad avvicinarsi al loro valore. Il valore della massa continuerà ad avvicinarsi al valore corretto man mano che gli esperimenti sulla Terra e le misurazioni nello spazio miglioreranno.

Fonte: Livescience. (Tradotto e adattato)

C’è un mistero enigmatico in atto nell’universo. Le misurazioni della velocità di espansione cosmica usando metodi diversi continuano a dare risultati in disaccordo. La situazione è stata definita una “crisi“.

Il problema è incentrato sulla cosiddetta costante di Hubble. Questa unità descrive la velocità con cui l’universo si sta espandendo. Utilizzando i dati del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea (ESA), gli scienziati stimano che il tasso sia di 67,4 chilometri al secondo per megaparsec. Ma i calcoli che usano le pulsar chiamate Cefeidi suggeriscono che è di 73,4 km / s / Mpc.

Se il primo numero è corretto, significa che gli scienziati hanno misurato le distanze da oggetti lontani nell’universo sbagliate per molti decenni. Ma se fosse corretto il secondo, i ricercatori potrebbero dover accettare l’esistenza di una nuova fisica esotica. Gli astronomi, comprensibilmente, sono piuttosto agitati per questa discrepanza.

Cosa dovrebbe fare un laico di questa situazione? E quanto è importante questa differenza, che per gli estranei sembra minore? Per capire meglio la questione, Live Science ha contattato Barry Madore, un astronomo dell’Università di Chicago e membro di uno dei team che effettuavano misurazioni della costante di Hubble.

Il problema inizia con Edwin Hubble stesso. Nel 1929, notò che le galassie più distanti si stavano allontanando dalla Terra più velocemente delle loro controparti più vicine. Analizzando la situazione, Hubble trovò una relazione lineare tra la distanza di un oggetto dal nostro pianeta e la velocità alla quale si stava allontanando.

“Ciò significa che sta succedendo qualcosa di spaventoso“, ha spiegato Madore. “Perché dovremmo essere il centro dell’universo? La risposta, che non è intuitiva, è che [gli oggetti distanti], in realtà, non si muovono. È lo spazio tra loro che aumenta“.

Hubble si rese conto che l’universo si stava espandendo e sembrava farlo a un ritmo costante, da qui la costante di Hubble, e , dalle sue osservazioni, ricavò un valore di circa 501 km / s / Mpc, quasi 10 volte più grande di quello attualmente misurato. Nel corso degli anni, i ricercatori hanno perfezionato questa misura.

Le cose sono diventate più strane alla fine degli anni ’90, quando due squadre di astronomi hanno notato che le supernove lontane erano più deboli e quindi più lontane del previsto, spiega Madore. Ciò indicava non solo che l’universo si stava espandendo, ma anche che accelerando la sua espansione. Gli astronomi hanno chiamato la causa di questo misterioso fenomeno energia oscura.

Avendo accettato che l’universo sta facendo qualcosa di strano, i cosmologi si sono rivolti al prossimo ovvio compito: misurare l’accelerazione nel modo più accurato possibile. In questo modo, speravano di ripercorrere la storia e l’evoluzione del cosmo dall’inizio alla fine

A questo tipo di domanda può sembrare impossibile rispondere, ma ciò non ha impedito agli scienziati di provarci. Negli ultimi 10 anni, il satellite Planck ha misurato lo sfondo cosmico delle microonde, un’eco distante del Big Bang, che ci da un’istantanea dell’universo primordiale di 13 miliardi di anni fa. Usando i dati dell’osservatorio, i cosmologi hanno potuto accertare un numero per la costante di Hubble con un grado di incertezza straordinariamente piccolo.

“Questo è stato un ottimo risultato” ha affermato Madore, ma “contraddice i risultati degli degli ultimi 30 anni“.

Nel corso di questi tre decenni, gli astronomi hanno provato ad usare anche le Cefeidi per calcolare la costante di Hubble. Queste stelle pulsano a un ritmo costante a seconda della loro luminosità, quindi i ricercatori possono dire esattamente quanto una Cepheid dovrebbe essere luminosa in base alle sue pulsazioni. Osservando la debolezza della luminosità di queste stelle, gli astronomi possono calcolare una distanza da esse. Ma le stime della costante di Hubble effettuate usando le Cefeidi non corrispondono a quella di Planck.

La discrepanza potrebbe sembrare piuttosto piccola, ma i dati sono abbastanza precisi e non c’è sovrapposizione tra le loro incertezze.Insomma, i due partiti contrapposti si sono accusati a vicenda di avere effettuato degli errori nei calcoli.

Se i team che hanno usato le Cefeidi hanno torto, gli astronomi hanno misurato le distanze nell’universo in modo errato per oltre un secolo. Ma se avesse torto Planck, è possibile che una fisica nuova ed esotica debba essere introdotta nei modelli dell’universo dei cosmologi.

Questi modelli includono quadranti diversi, come il numero di tipi di particelle subatomiche conosciute come neutrini esistenti, e sono utilizzati per interpretare i dati del satellite sullo sfondo delle microonde cosmiche. Per conciliare il valore di Planck per la costante di Hubble con i modelli esistenti, alcuni quadranti dovrebbero essere modificati, ha spiegato Madore, ma la maggior parte dei fisici non è ancora disposta a farlo.

Sperando di fornire nuove informazioni in grado di mediare tra le due parti, Madore e i suoi colleghi hanno recentemente osservato la luce di stelle giganti rosse. Questi oggetti raggiungono la stessa luminosità di picco alla fine della loro vita, il che significa che, come con le Cefeidi, gli astronomi possono vedere quanto oscuri appaiono dalla Terra per ottenere una buona stima della loro distanza e, quindi, calcolare la costante di Hubble.

I risultati , pubblicati a luglio, hanno fornito un terzo numero diverso, compreso tra le due misurazioni precedenti: 69,8 km / s / Mpc. E l’incertezza conteneva abbastanza sovrapposizioni da essere potenzialmente d’accordo con i risultati di Planck.

Altre squadre hanno resistito. Un gruppo chiamato Lenti H0 nella Fonte di COSMOGRAIL (H0LICOW) sta guardando oggetti luminosi distanti nell’universo primordiale chiamati quasar la cui luce è stata riflessa gravitazionalmente da enormi oggetti tra noi e loro. Studiando questi quasar, il gruppo ha recentemente elaborato una stima più vicina alle osservazioni degli astronomi.

Le informazioni dall’Osservatorio sulle onde gravitazionali (LIGO) dell’interferometro laser, che esamina le onde gravitazionali provenienti da stelle di neutroni che si scontrano, potrebbero fornire un altro punto dati indipendente. Ma tali calcoli sono ancora nelle loro fasi iniziali, ha detto Madore, e devono ancora raggiungere la piena maturità.

Da parte sua, Madore ha detto che pensa che a prevalere, alla fine, sarà il numero medio tra Planck e il valore degli astronomi, anche se al momento non scommetterebbe troppo su questa possibilità.

L’unica cosa che appare certa, al momento, è che l’universo va incontro ad un Big Rip.

Originariamente pubblicato su Live Science .

27/08/2019: articolo aggiornato alle 09,20 per correggere il titolo uscito originariamente come riferito alla costante di Planck invece che alla costante di Hubble.