Non importa dove o quando ti trovi nello spaziotempo, sperimenti sempre le stesse leggi della fisica. Le costanti fondamentali rimangono costanti nello spazio e nel tempo, così come le nostre nozioni di massa, distanza e durata.
I righelli, o qualsiasi metro fatto di atomi, avranno sempre la stessa lunghezza, e gli orologi, o qualsiasi dispositivo fatto per misurare il tempo, mostreranno sempre che passa alla stessa velocità universale per tutti gli osservatori: un secondo al secondo. Non ci sono mai eccezioni a questo, né secondo le leggi della teoria quantistica, né secondo la teoria generale della relatività di Einstein.
Se, negli ultimi tempi, hai prestato attenzione alle notizie, potresti avere letto qualcosa di diverso dalla realtà. Un comunicato stampa del 3 luglio 2023 – un comunicato che è stato rilanciato innumerevoli volte sui media e sui siti web – afferma che “l’Universo era cinque volte più lento subito dopo il Big Bang” e quindi il tempo scorreva più lentamente di oggi.
Qui l’unica opzione è separare i fatti dalla finzione. Analizziamo ciò che sta realmente accadendo con gli orologi, il tempo e l’universo in espansione.
Tempo nell’Universo
Uno dei più grandi progressi nella nostra comprensione della fisica è arrivato quando Einstein ha presentato la relatività: l’idea che quantità come il tempo e lo spazio non sono assolute in alcun senso, ma piuttosto sono specifiche per ogni singolo osservatore.
A seconda di dove e quando ti trovi, oltre che di come ti muovi, potresti avere una percezione diversa di quanto sono distanti due oggetti (distanza) o di quanto tempo impiegano (tempo) per arrivare due diversi segnali. A differenza dell’idea newtoniana in cui lo spazio era come una griglia cartesiana e il tempo era un assoluto, il lavoro di Einstein ci ha mostrato che ogni osservatore ha un’esperienza unica di cosa sono lo spazio e il tempo.
Tuttavia, comprendendo correttamente le leggi della relatività, possiamo “trasformare” da ciò che sperimenta qualsiasi osservatore in qualsiasi parte dell’Universo a come qualsiasi altro osservatore vedrà distanze e durate. Per te, non importa dove o quando ti trovi, fintanto che sei in quello che chiamiamo un sistema di riferimento inerziale (cioè, non stai accelerando a causa di una spinta, una forza esterna o qualcosa di diverso dalla curvatura dello spaziotempo), sperimenterai le distanze come corrette (dove un metro fatto di atomi misura 1 metro con qualsiasi orientamento) e anche il tempo come corretto (dove un secondo sul tuo orologio significa che è passato un secondo di realtà sperimentata).
In altre parole, mentre tutti sperimentano le stesse leggi della fisica per se stessi, possono vedere le lunghezze come “contratte” o il tempo come “dilatato” per altri osservatori, in funzione della curvatura, dell’evoluzione dello spaziotempo e dei moti relativi dell’osservatore e del osservato.
Segnali nell’Universo in espansione
Una delle scoperte più sorprendenti degli ultimi 100 anni è avvenuta negli anni ’20 e all’inizio degli anni ’30: quando abbiamo stabilito che più un oggetto cosmico è lontano da noi, più la sua luce sembra essere spostata verso lunghezze d’onda sempre più lunghe. La spiegazione sottostante è che, nel contesto della teoria della relatività generale di Einstein, il tessuto dello spaziotempo non può essere una struttura statica se è uniformemente riempito di materia ed energia, ma deve piuttosto espandersi o contrarsi. Poiché i dati indicano l’espansione, allora si espande.
Questa consapevolezza alla fine ha portato all’immagine moderna di ciò che chiamiamo l’origine del Big Bang del nostro Universo: che le cose sono iniziate calde, dense e uniformi e da lì si sono evolute. Col passare del tempo, si sono verificate le seguenti cose:
- l’Universo si espande,
- le masse gravitano,
- la distanza tra gli oggetti (non legati) aumenta,
- la radiazione ha la sua lunghezza d’onda spostata verso il rosso verso lunghezze d’onda maggiori,
- l’universo si raffredda,
e alla fine, nel tempo, questo porta alla complessa rete cosmica della struttura che osserviamo oggi.
Mentre guardiamo a distanze sempre maggiori, tuttavia, dobbiamo tenere presente che stiamo vedendo l’Universo com’era molto tempo fa: più vicino nel tempo ai primi momenti del caldo Big Bang. In quelle epoche precedenti, le costanti fondamentali avevano ancora gli stessi valori, le forze e le interazioni avevano ancora le stesse forze, le particelle elementari e composite avevano ancora le stesse proprietà e gli atomi legati in una configurazione lunga 1 metro ammontavano ancora a un dimensione di un metro. Inoltre, il tempo passava ancora alla stessa velocità di sempre: un secondo al secondo.
Ma la luce che vediamo da quegli oggetti, quando arriva ai nostri occhi, ha viaggiato per molto tempo attraverso l’Universo in espansione. La luce, così come la vediamo, non è più identica alla luce emessa dall’oggetto tanto tempo fa. Man mano che l’Universo si espande, non solo il tessuto dello spazio stesso si “allunga” in un certo senso, ma anche i segnali che lo attraversano si allungano. Ciò dovrebbe includere i segnali di ogni quanto di energia che attraversa quello spazio, inclusa la luce, le onde gravitazionali e persino le particelle massicce.
Cosa viene “allungato” dall’Universo in espansione?
Il segnale che vediamo, in molti modi, non è più lo stesso del segnale emesso tanto tempo fa nel lontano Universo. Ci sono una serie di effetti che l’Universo in espansione ha su ciò che un osservatore alla fine vede.
In analogia con lo spostamento Doppler, visibile in tutti i tipi di onde in cui la sorgente emittente e l’osservatore sono in movimento l’uno rispetto all’altro, assistiamo anche a un redshift cosmologico dovuto all’espansione dell’Universo. La luce, quando viene emessa, ha una specifica lunghezza d’onda, ma mentre viaggia attraverso l’Universo:
- Potrebbe affondare più profondamente in un pozzo potenziale gravitazionale, diventando più energica e spostata verso il blu, oppure potrebbe uscire da un pozzo potenziale gravitazionale, diventando meno energetica e spostata verso il rosso.
- Potrebbe essere osservata da qualcuno che si muove verso la sorgente emittente, il che farebbe apparire quella luce più energetica e spostata verso il blu, oppure potrebbe essere osservata da qualcuno che si allontana dalla sorgente, il che fa apparire quella luce meno energetica e spostata verso il rosso.
- E potrebbe essere osservata da qualcuno lontano attraverso le grandi distanze cosmiche, dove quella luce verrebbe spostata verso il blu da un Universo in contrazione, o dove verrebbe spostata verso il rosso da un Universo in espansione.
Dal momento che siamo abbastanza certi che il nostro Universo si sta espandendo, ciò significa che la luce viene spostata verso il rosso, o spostata verso lunghezze d’onda maggiori ed energie inferiori, man mano che l’Universo si espande. Inoltre, maggiore è la quantità di espansione cumulativa dell’Universo nell’intervallo in cui quella luce si è propagata attraverso l’Universo dall’emettitore all’osservatore, maggiore è l’entità dello spostamento verso il rosso osservato.
Questo non si applica solo alla luce. Anche un’onda gravitazionale emessa da qualsiasi fonte, dalla fusione dei buchi neri ai pianeti in orbita attorno alle stelle a qualsiasi massa che si muove nelle vicinanze dello spazio che è curvato da un’altra massa, sarà spostata verso il rosso e allungata a lunghezze d’onda maggiori man mano che l’Universo si espande.
Anche le particelle massicce, cariche o neutre, perderanno energia cinetica man mano che l’Universo si espande. Puoi recuperare previsioni identiche per quanta energia usano trattando l’espansione come un effetto sulla velocità relativa della particella o considerando la doppia natura onda/particella della particella in movimento e notando che anche la sua lunghezza d’onda viene spostata verso il rosso dall’Universo in espansione.
Indipendentemente da come la guardi, la lunghezza d’onda di qualsiasi onda che si propaga attraverso l’Universo in espansione si allunga mentre si allunga anche il tessuto dello spazio, e più l’Universo si espande mentre queste onde si propagano, maggiore è l’entità di questo effetto.
Ma pensa a questo per un momento: se questi segnali si stanno spostando verso il rosso, cosa sta succedendo loro?
Fisicamente, è come se si stessero “allungando“. Ogni quanto di luce ha una lunghezza d’onda specifica quando viene emesso, e in ogni secondo che passa, viene emesso un certo numero di onde complete di quella lunghezza d’onda.
Quando l’Universo si sarà espanso di un fattore due, la distanza tra ogni successiva “cresta” o “depressione” di queste onde sarà raddoppiata. Ciò corrisponde a ciò che osserviamo come oggetti a un “redshift di z=1“, dove la lunghezza d’onda di ogni quanto di luce che osserviamo è stata allungata di una quantità pari alla sua lunghezza d’onda originale.
Considerando che la sorgente che ha emesso quella luce avrebbe visto, diciamo, 600.000.000.000.000 (seicento trilioni) lunghezze d’onda di quella luce passarle accanto con ogni secondo che passava (per una luce di una lunghezza d’onda di 500 nanometri), la persona che osserva quella luce ora vedrà solo metà di quel numero (trecento trilioni) di lunghezze d’onda che le passano accanto ogni secondo che passa. Sì, la luce ora ha una lunghezza d’onda maggiore (di 1000 nanometri), ma ci vogliono anche due secondi perché le stesse informazioni emesse nell’arco di un secondo arrivino all’osservatore.
In altre parole, l’Universo in espansione non provoca solo un redshift cosmologico e un “allungamento” del segnale emesso in termini di lunghezze d’onda, ma provoca anche una dilatazione del tempo cosmologico: un “allungamento” del segnale emesso nel tempo. Ciò significa che, quando guardiamo oggetti molto lontani, non li stiamo osservando in “tempo reale” ma piuttosto al rallentatore a causa di questa dilatazione temporale cosmologica. La formula è molto semplice: lo stesso “fattore” in base al quale i tuoi segnali vengono spostati verso il rosso è il “fattore” in base al quale i tuoi segnali appaiono rallentati quando li visualizzi.
Non è che gli orologi funzionassero più lentamente nell’Universo primordiale; non è affatto vero. Quello che è vero, invece, è che l’Universo in espansione fa apparire “disteso” nel tempo il segnale che osserviamo, e questo vale per tutti i segnali che vediamo dall’Universo lontano.
- Lo vediamo per le supernove lontane, come misurato dalle loro curve di luce: il tempo che impiega dalla detonazione iniziale fino a raggiungere il suo picco di luminosità, e poi per calare di nuovo e svanire.
- Lo vediamo anche per le onde gravitazionali, poiché le onde gravitazionali che arrivano da fusioni di buchi neri più distanti hanno i loro tempi di inspirazione “allungati” dall’espansione dell’Universo.
- E lo vediamo anche nelle fluttuazioni di temperatura impresse nel fondo cosmico a microonde, poiché queste fluttuazioni devono variare nel tempo, ma quella variabilità è “allungata” nel tempo di più di un fattore 1000, spiegando perché dobbiamo ancora osservare i “punti caldi” e “punti freddi” che cambiano nel periodo di circa 30 anni in cui li abbiamo osservati.
Cosa ci insegna effettivamente la nuova scoperta del “ticchettio del quasar”?
Il 3 luglio 2023, gli scienziati Geraint Lewis e Brendon Brewer hanno pubblicato un articolo su Nature Astronomy che affermava di rilevare questa dilatazione del tempo dipendente dal redshift nel “ticchettio” dei quasar. Sebbene non siano orologi cosmici particolarmente buoni come lo sono le pulsar a millisecondi, sono orologi abbastanza buoni che, con un campione abbastanza ampio di quasar, dovremmo essere in grado di rilevare una dipendenza dal redshift ai segnali che emettono.
A differenza di studi precedenti che affermavano di non vedere tale segnale e affermavano di mettere in dubbio l’interpretazione dei quasar come oggetti cosmici all’interno dell’Universo in espansione, questo studio ha messo a tacere quelle affermazioni precedenti, dimostrando che i quasar mostrano davvero questa dilatazione del tempo cosmico. In altre parole, una delle cose che questo studio ci insegna è che i quasar sono davvero oggetti cosmici e mostrano una dilatazione del tempo cosmico, proprio come qualsiasi altra cosa.
Ma dal momento che possiamo osservare i quasar oltre la massima distanza alla quale abbiamo mai osservato una singola supernova, ciò stabilisce anche un nuovo record di distanza cosmica per la dilatazione del tempo cosmologico osservata per ogni singolo oggetto!
Sfortunatamente, molte delle persone che hanno letto questo studio hanno diffuso un messaggio sbagliato: ora credono (erroneamente) che il tempo scorresse più lentamente di quanto non faccia oggi nell’Universo primordiale.
Non è vero!
Quello che succede è che il tempo scorre alla stessa velocità in tutte le epoche della storia dell’Universo, ma che mentre l’Universo si espande, qualsiasi segnale che viene creato viene “allungato”. Questo “allungamento” avviene non solo in termini di lunghezza d’onda ed energia (cinetica), ma anche nel tempo.
È stato ora dimostrato che la dilatazione del tempo si applica in tre casi separati.
- Quando due oggetti si incrociano ad alta velocità, ognuno vede l’altro con i propri orologi dilatati, e il tempo sembra scorrere più lentamente per l’altro, anche se ciascuno lo percepisce come normale.
- Quando due oggetti si trovano in campi gravitazionali diversi, quello che è immerso nel campo più profondo sperimenta il tempo che passa più lentamente di quello in un campo meno profondo e, di conseguenza, la tua testa invecchia più velocemente dei tuoi piedi quando ti trovi sulla Terra.
- E cosmologicamente, quando un osservatore locale vede un segnale emesso da un oggetto attraverso l’Universo distante, l’espansione dell’Universo allungherà sia la lunghezza d’onda di quel segnale sia il tempo di osservazione.
Questo è tutto; è la dilatazione del tempo che allunga i segnali provenienti da quasar distanti, niente di più. Ma il tempo stesso passa sempre alla stessa velocità per un osservatore ovunque nell’Universo: allora, ora e per sempre.
