L’espansione dell’Universo non viola la velocità della luce?

Appena 13,8 miliardi di anni dopo il caldo Big Bang, possiamo vedere 46,1 miliardi di anni luce di distanza in tutte le direzioni. Quindi, l'universo sembra espandersi ad una velocità maggiore di quella della luce ma sappiamo che questo non può essere, quindi?

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L'espansione dell'Universo non viola la velocità della luce?
L'espansione dell'Universo non viola la velocità della luce?

Se c’è una regola che la maggior parte delle persone conosce dell’Universo, è che esiste un limite di velocità ultimo che nulla può superare: la velocità della luce nel vuoto. Se sei una particella dotata di massa, non solo non puoi superare quella velocità, ma non la raggiungerai mai; puoi solo avvicinarti alla velocità della luce.

Se sei senza massa, non hai scelta; puoi muoverti solo a una velocità nello spaziotempo: la velocità della luce se sei nel vuoto, o una velocità inferiore se sei in un mezzo. Più veloce è il tuo movimento nello spazio, più lento è il tuo movimento nel tempo e viceversa. Non c’è modo di aggirare questi fatti, poiché sono il principio fondamentale su cui si basa la relatività.

Eppure, gli oggetti distanti dell’Universo che possiamo osservare sembrano sfidare il nostro approccio di buon senso alla logica. Attraverso una serie di osservazioni precise, siamo sicuri che l’Universo abbia esattamente 13,8 miliardi di anni. La galassia più lontana che abbiamo visto finora è distante attualmente 32 miliardi di anni luce, la luce più lontana che vediamo corrisponde a un punto distante attualmente 46,1 miliardi di anni luce e le galassie oltre i 18 miliardi di anni luce non potranno mai essere raggiunte da noi, anche se inviassimo oggi un segnale alla velocità della luce.

Eppure niente di tutto questo infrange la velocità della luce o le leggi della relatività; rompe solo le nostre nozioni intuitive di come le cose dovrebbero comportarsi. Ecco cosa tutti dovrebbero sapere sull’Universo in espansione e sulla velocità della luce.

Cosa significa in realtà “nulla può viaggiare più veloce della velocità della luce

È vero: niente può viaggiare più veloce della velocità della luce. Ma cosa significa in realtà? La maggior parte delle persone, quando lo sentono, pensano a queste cose.



  • Quando osservo un oggetto, posso seguirne il movimento, osservando come la sua posizione cambia nel tempo.
  • Quando lo vedo, posso registrare la sua posizione osservata e il momento in cui lo osservo.
  • Quindi, usando la definizione di velocità – che è un cambiamento nella distanza diviso per un cambiamento nel tempo – posso ottenere la sua velocità.
  • E quindi, guardando un oggetto massiccio o senza massa, farei meglio a osservare che la velocità che ottengo non supera mai la velocità della luce, o che violerebbe le leggi della relatività.

Questo è vero nella maggior parte della nostra esperienza comune, ma non è vero universalmente. In particolare, tutto ciò include un presupposto a cui praticamente non pensiamo mai, tanto meno dichiariamo.

Quello spazio è piatto, non curvo e immutabile. Ciò avviene nello spazio euclideo: il tipo di spazio che normalmente concepiamo quando pensiamo al nostro Universo tridimensionale. La maggior parte di noi immagina di fare qualcosa come mettere una “griglia” tridimensionale sopra tutto ciò che vediamo, e poi provare a descrivere posizioni e tempi con un insieme di quattro coordinate, una per ciascuna delle x, y, z e dimensioni temporali.

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Con un tempo sufficiente, la luce emessa da un oggetto lontano arriverà ai nostri occhi, anche in un universo in espansione. Tuttavia, se la velocità di recessione di una galassia lontana raggiunge e rimane al di sopra della velocità della luce, non possiamo mai raggiungerla, anche se possiamo ricevere luce dal suo lontano passato. (Credito: Larry McNish/RASC Calgary)

In altre parole, la maggior parte di noi comprende il concetto di base della relatività ristretta – la parte “nulla può muoversi più velocemente della luce” – ma non riesce ad apprezzare che l’Universo reale non può essere descritto accuratamente dalla sola relatività ristretta. Invece, dobbiamo tenere in considerazione che l’Universo ha un tessuto dinamico dello spaziotempo che lo sostiene, e che è solo il movimento degli oggetti attraverso quello spaziotempo che obbedisce a quelle leggi della relatività speciale.

Ciò che non è incapsulato nella nostra concezione comune sono i modi in cui il tessuto dello spazio si discosta da questa griglia idealizzata, piatta e tridimensionale in cui ogni momento successivo è descritto da un orologio universalmente applicabile. Invece, dobbiamo riconoscere che il nostro Universo obbedisce alle regole della Relatività Generale di Einstein e che queste regole determinano l’evoluzione dello spaziotempo. In particolare:

  • lo spazio stesso può espandersi o contrarsi,
  • lo spazio stesso può essere curvato positivamente o negativamente, non solo piatto,
  • e che le leggi della relatività si applicano agli oggetti mentre si muovono nello spazio, non allo spazio stesso.

In altre parole, quando diciamo “niente può muoversi più velocemente della luce” intendiamo “niente può muoversi più velocemente della luce attraverso lo spazio“, ma che il movimento degli oggetti attraverso lo spazio non ci dice nulla su come lo spazio stesso si evolverà. In alternativa, possiamo solo affermare che nulla si muove più velocemente della luce rispetto a un altro oggetto nella stessa posizione, o evento, nello spaziotempo.

La velocità di espansione dell’universo

Quindi, niente può muoversi più velocemente della luce attraverso lo spazio, ma che dire dei modi in cui lo spazio stesso cambia? Probabilmente hai sentito dire che viviamo in un Universo in espansione e che abbiamo misurato la velocità con cui il tessuto dello spazio stesso si espande: la costante di Hubble. Abbiamo persino misurato precisamente quel tasso e possiamo essere certi, da tutte le misurazioni e osservazioni che abbiamo fatto, che l’attuale tasso di espansione è precisamente tra 66 e 74 km/s/Mpc: chilometri-per- secondo per megaparsec.

Ma cosa significa che lo spazio si sta espandendo?

Per ogni megaparsec (circa 3,26 milioni di anni luce) di distanza da noi di un oggetto distante e non legato gravitazionalmente, lo vedremo allontanarsi da noi come se si allontanasse all’equivalente di 66-74 km/s. Se qualcosa è a 20 Mpc da noi, ci aspetteremmo di vederlo allontanarsi all’equivalente di 1320–1480 km/s da noi; se è a 5000 Mpc di distanza, ci aspetteremmo di vederlo allontanarsi a ~330.000–370.000 km/s.

Ma questo è fonte di confusione per due motivi. Uno, in realtà non si muove a quella velocità attraverso lo spazio, ma piuttosto questo è l’effetto dello spazio tra gli oggetti che si espande. E due, la velocità della luce è 299.792 km/s, quindi quell’oggetto ipotetico che si trova a circa 5000 Mpc di distanza non si sta effettivamente allontanando da noi a velocità superiori a quella della luce?

Il modello del “pane all’uvetta” dell’Universo in espansione, in cui le distanze relative aumentano man mano che lo spazio (impasto) si espande. Più distanti sono due uve passite l’una dall’altra, maggiore sarà lo spostamento verso il rosso osservato nel momento in cui la luce viene ricevuta. La relazione redshift-distanza prevista dall’Universo in espansione è confermata dalle osservazioni ed è coerente con ciò che è noto fin dagli anni ’20. (Credito: NASA/WMAP Science Team.)

Il modo in cui mi piace pensare all’Universo in espansione è con il modello del “pane all’uvetta”. Immagina di avere una palla di pasta con chicchi di uvetta incastonati in essa. Immagina che l’impasto ora lieviti: espandendosi in tutte le direzioni (se vuoi, puoi anche immaginare che questo stia accadendo in un ambiente a gravità zero, come sulla Stazione Spaziale Internazionale). Ora, se metti il ​​dito su un’uva passa, cosa vedi che fanno le altre uvette?

  • L’uvetta più vicina a te sembrerà allontanarsi lentamente da te, mentre l’impasto tra di loro si espande.
  • L’uvetta più lontana sembrerà allontanarsi più rapidamente, poiché c’è più impasto tra loro e te rispetto all’uvetta più vicina.
  • E l’uvetta che è ancora più lontana sembrerà allontanarsi sempre più rapidamente.

Ora, nella nostra analogia, le uvette sono come galassie o gruppi/ammassi di galassie legati, e l’impasto è come l’Universo in espansione. Solo che, in questo caso, l’impasto che rappresenta il tessuto dello spazio non può essere visto o rilevato direttamente, in realtà non diventa meno denso man mano che l’Universo si espande e fornisce semplicemente un “palcoscenico” per l’uva, o le galassie, da abitare.

Mentre la materia e la radiazione diventano meno dense man mano che l’Universo si espande a causa del suo volume crescente, l’energia oscura è una forma di energia inerente allo spazio stesso. Man mano che si crea nuovo spazio nell’Universo in espansione, la densità di energia oscura rimane costante. (Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Il tasso di espansione dipende dalla quantità totale di “roba” in un dato volume di spazio, quindi man mano che l’Universo si espande, si diluisce e il tasso di espansione diminuisce. Poiché la materia e la radiazione sono costituite da un numero fisso di particelle, man mano che l’Universo si espande e il volume aumenta, la densità della materia e della radiazione diminuiscono. La densità della radiazione diminuisce un po’ più velocemente della densità della materia, perché l’energia della radiazione è definita dalla sua lunghezza d’onda, e quando l’Universo si espande, anche quella lunghezza d’onda si allunga, causando la perdita di energia.

D’altra parte, l'”impasto” stesso contiene una quantità di energia finita, positiva, diversa da zero in ogni regione dello spazio, e man mano che l’Universo si espande, quella densità di energia rimane costante. Mentre la densità della materia e della radiazione diminuiscono, l’energia dell’”impasto” (o spazio) stesso rimane costante, ed è ciò che osserviamo come energia oscura. Nel nostro vero Universo, che li contiene tutti e tre, possiamo concludere con sicurezza che il bilancio energetico dell’Universo è stato dominato dalla radiazione per le prime migliaia di anni, poi dalla materia per i successivi miliardi di anni, e poi dall’energia oscura. Per quanto ne sappiamo, l’energia oscura continuerà a dominare l’Universo per sempre.

I destini previsti dell’Universo (primi tre illustrazioni) corrispondono tutti a un Universo in cui la materia e l’energia combinate combattono contro il tasso di espansione iniziale. Nel nostro Universo osservato, un’accelerazione cosmica è causata da un qualche tipo di energia oscura, finora inspiegabile. Tutti questi Universi sono governati dalle equazioni di Friedmann, che mettono in relazione l’espansione dell’Universo con i vari tipi di materia ed energia presenti al suo interno. (Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Ora, ecco la parte difficile. Ogni volta che guardiamo una galassia lontana, ne vediamo la luce così com’è adesso: al suo arrivo. Ciò significa che la luce emessa sperimenta una sfilza di effetti combinati:

  1. la differenza tra il potenziale gravitazionale da dove è stato emesso a dove arriva,
  2. la differenza nel movimento dell’oggetto che emette attraverso il suo spazio e il movimento dell’oggetto che assorbe attraverso il suo spazio locale,
  3. e gli effetti cumulativi dell’espansione dell’Universo, che allungano la lunghezza d’onda della luce.

La prima parte, per fortuna, è normalmente molto piccola. La seconda parte è nota come velocità peculiare e può variare da centinaia fino a poche migliaia di chilometri al secondo.

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Questa animazione semplificata mostra come la luce si sposta verso il rosso e come le distanze tra gli oggetti non legati cambiano nel tempo nell’Universo in espansione. Nota che gli oggetti iniziano a essere più vicini del tempo impiegato dalla luce per viaggiare tra di loro, la luce si sposta verso il rosso a causa dell’espansione dello spazio e le due galassie finiscono molto più distanti rispetto al percorso di viaggio della luce intrapreso dal fotone scambiato fra loro. (Credito : Rob Knop.)

Ma la terza parte è l’effetto dell’espansione cosmica e, a distanze superiori a circa 100 megaparsec circa, è sempre l’effetto dominante. Sulle scale cosmiche più grandi, l’espansione dell’Universo è tutto ciò che conta. Ciò che è importante riconoscere è che l’espansione non ha affatto una velocità intrinseca; lo spazio si espande ad una frequenza: una velocità per unità di distanza. Esprimerlo come una certa quantità di chilometri al secondo per megaparsec oscura che “chilometri” e “megaparsec” sono entrambe distanze e si annulleranno se converti l’uno nell’altro.

La luce proveniente da oggetti distanti viene effettivamente spostata verso il rosso, ma non perché qualcosa si stia allontanando più velocemente della luce, né perché qualcosa si stia espandendo più velocemente della luce. Lo spazio si espande semplicemente; siamo noi che entriamo nella definizione di “velocità” perché è quello che ci è familiare.

Cosa sta effettivamente accelerando nel nostro Universo in accelerazione?

Una delle difficoltà che abbiamo è che non possiamo effettivamente misurare la velocità di un oggetto distante. Possiamo misurare la sua distanza attraverso una varietà di proxy, come quanto è luminoso/debole o quanto grande/piccolo appare nel cielo, presumendo che sappiamo o possiamo capire quanto sia intrinsecamente luminoso o grande.

Possiamo anche misurare il suo redshift, o come la luce viene “spostata” da come sarebbe se fossimo nella posizione precisa e nelle stesse precise condizioni in cui è stata emessa la luce. Questo spostamento, a causa della nostra familiarità con il modo in cui le onde si spostano a causa dell’effetto Doppler (come per le onde sonore), è qualcosa che spesso traduciamo in una velocità di recessione.

Tuttavia, non stiamo misurando una velocità effettiva; stiamo misurando gli effetti cumulativi dei movimenti più l’effetto dell’Universo in espansione. Quando diciamo “l’Universo sta accelerando” ciò che in realtà intendiamo – e questo non è affatto ciò che intuiresti – è che se guardi lo stesso oggetto mentre l’Universo si espande, non solo continuerà ad aumentare la distanza da te, allontanandosi sempre di più, ma la luce che ricevi da questo oggetto continuerà a mostrare uno spostamento verso il rosso sempre crescente, che fa sembrare che stia accelerando lontano da te.

In realtà, però, il redshift è dovuto all’espansione dello spazio, non alla galassia che si allontana sempre più velocemente da te. Il tasso di espansione, se dovessimo effettivamente misurarlo nel tempo, è ancora in diminuzione e alla fine asintoterà a un valore finito, positivo e diverso da zero; questo è ciò che significa vivere in un Universo dominato dall’energia oscura.

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La dimensione del nostro Universo visibile (giallo), insieme alla quantità che possiamo raggiungere (magenta). Il limite dell’Universo visibile è 46,1 miliardi di anni luce, poiché questo è il limite di quanto lontano sarebbe un oggetto che emette luce che ci raggiungerebbe oggi dopo essersi espanso lontano da noi per 13,8 miliardi di anni. Tuttavia, oltre i 18 miliardi di anni luce circa, non potremo mai accedere a una galassia anche se ci dirigessimo verso di essa alla velocità della luce. (Credito : Andrew Z. Colvin e Frederic Michel, Wikimedia Commons; Annotazioni: E. Siegel)

Quindi cosa determina la “distanza” in un Universo in espansione?

Quando parliamo della distanza di un oggetto nell’Universo in espansione, stiamo sempre facendo un’istantanea cosmica – una sorta di “vista dall’occhio di Dio” – di come stanno le cose in questo particolare istante nel tempo: quando la luce da questi distanti gli oggetti arrivano. Sappiamo che stiamo vedendo questi oggetti come erano in un lontano passato, non come sono oggi, circa 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, ma piuttosto come erano quando emettevano la luce che arriva oggi.

Ma quando parliamo di “quanto è lontano questo oggetto“, non ci chiediamo quanto fosse lontano da noi quando ha emesso la luce che vediamo ora, né ci chiediamo da quanto tempo la luce è stata in transito. Invece, ci stiamo chiedendo quanto lontano l’oggetto, se potessimo in qualche modo “congelare” l’espansione dell’Universo in questo momento, si trova da noi in questo preciso istante.

La galassia più lontana osservata GN-z11, emetteva la sua luce, che vediamo ora, 13,4 miliardi di anni fa e si trova a circa 32 miliardi di anni luce di distanza. Se potessimo vedere fino all’istante del Big Bang, vedremmo a 46,1 miliardi di anni luce di distanza, e se volessimo conoscere l’oggetto più distante la cui luce non ci ha ancora raggiunto, ma un giorno lo farà , questa è attualmente una distanza di circa 61 miliardi di anni luce: il limite di visibilità futuro.

Solo perché puoi vederlo, però, non significa che puoi raggiungerlo. Qualsiasi oggetto attualmente oltre i 18 miliardi di anni luce da noi emetterà ancora luce, e quella luce viaggerà attraverso l’Universo, ma il tessuto dello spazio si espanderà semplicemente troppo inesorabilmente perché possa mai raggiungerci.

Con ogni momento che passa, ogni oggetto non legato si sposta sempre più lontano, e gli oggetti precedentemente raggiungibili passano attraverso quel segno per diventare per sempre irraggiungibili. Niente si muove più velocemente della luce in un Universo in espansione, e questa è sia una benedizione che una maledizione. A meno che non scopriamo come superare questo problema, tutte le galassie più vicine potrebbero essere per sempre fuori dalla nostra portata.

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