Se c’è una regola che la maggior parte delle persone conosce sull’Universo, è che esiste un limite di velocità massimo 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.
Tuttavia, niente di tutto questo infrange la velocità della luce o le leggi della relatività; infrange solo le nostre nozioni intuitive su come le cose dovrebbero comportarsi. Ecco cosa tutti dovrebbero sapere sull’Universo in espansione e sulla velocità della luce.
Cosa significa realmente “niente 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 sente, pensa quanto segue:
- 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 l’ora in cui lo osservo.
- Quindi, utilizzando la definizione di velocità, ovvero che si tratta di una variazione di distanza divisa per una variazione di tempo, posso ricavarne la velocità.
- Pertanto, sia che si guardi un oggetto massiccio o privo di massa, è meglio che la velocità che ottengo non superi mai la velocità della luce, altrimenti ciò violerebbe le leggi della relatività.
Ciò è vero nella maggior parte della nostra esperienza comune, ma non è vero universalmente. In particolare, tutto ciò include un presupposto a cui non pensiamo quasi mai, e tanto meno affermiamo.
A cosa ci riferiamo? all’idea che lo spazio sia 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 giù una “griglia” tridimensionale sopra tutto ciò che vediamo e cercare di descrivere posizioni e tempi con un set di quattro coordinate, una per ciascuna delle dimensioni x, y, z e tempo.
In altre parole, la maggior parte di noi comprende il concetto di base della relatività speciale, ovvero la parte “niente può muoversi più velocemente della luce“, ma non riesce ad apprezzare che l’Universo reale non può essere descritto accuratamente dalla sola relatività speciale. Invece, dobbiamo tenere conto che l’Universo ha un tessuto dinamico di 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 racchiuso 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 tali regole dettano il modo in cui lo spaziotempo evolve. In particolare:
- lo spazio stesso può espandersi o contrarsi
- lo spazio stesso può essere curvato positivamente o negativamente, non è solo piatto
- 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 nello spazio“, ma che il moto degli oggetti nello 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.
Lo spazio non si espande a una velocità
Quindi, niente può muoversi più velocemente della luce nello 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 si espande il tessuto dello spazio stesso: la costante di Hubble. Abbiamo persino misurato quella velocità con precisione e possiamo essere certi, da tutte le misurazioni e le osservazioni che abbiamo preso, che la velocità di espansione attuale è esattamente tra 66 e 74 km/s/Mpc: chilometri al secondo per megaparsec.
Per ogni megaparsec (circa 3,26 milioni di anni luce) di distanza da noi di un oggetto lontano e non vincolato, lo vedremo allontanarsi da noi come se si allontanasse a una velocità equivalente a 66-74 km/s. Se qualcosa è a 20 Mpc di distanza da noi, ci aspetteremmo di vederlo allontanarsi a una velocità equivalente a 1320-1480 km/s; se è a 5000 Mpc di distanza, ci aspetteremmo di vederlo allontanarsi a circa 330.000-370.000 km/s.
Ma questo è fonte di confusione per due motivi. Uno, non si sta effettivamente muovendo a quella velocità nello 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 è a ~5000 Mpc di distanza non si sta effettivamente allontanando da noi a velocità superiori alla velocità della luce?
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 uvetta dappertutto. Ora immagina che l’impasto lieviti, espandendosi in tutte le direzioni. Ora, se metti il dito su un’uvetta, cosa vedi fare le altre uvette?
- L’uvetta più vicina a te sembrerà allontanarsi lentamente da te, mentre l’impasto tra di loro si espanderà.
- L’uvetta più lontana sembrerà allontanarsi più rapidamente, perché tra lei e te c’è più impasto rispetto all’uvetta più vicina.
Ora, nella nostra analogia, l’uvetta rappresenta galassie o gruppi/ammassi di galassie legati, e l’impasto è come l’Universo in espansione. Ma in questo caso, l’impasto che rappresenta il tessuto dello spazio non può essere visto o rilevato direttamente, non diventa effettivamente meno denso man mano che l’Universo si espande, e fornisce semplicemente un “palcoscenico” in cui l’uvetta, o le galassie, possono vivere.
La velocità di espansione dipende dalla quantità totale di “roba” in un dato volume di spazio, quindi quando l’Universo si espande, si diluisce e la velocità di espansione diminuisce. Poiché la materia e la radiazione sono composte da un numero fisso di particelle, quando l’Universo si espande e il volume aumenta, la densità della materia e della radiazione diminuiscono entrambe. 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, facendole perdere energia.
D’altro canto, l'”impasto” stesso contiene una quantità finita, positiva, diversa da zero di energia in ogni regione dello spazio e, mentre l’Universo si espande, quella densità di energia rimane costante. Mentre le densità di materia e radiazione diminuiscono, l’energia dell'”impasto” (o spazio) stesso rimane costante, ed è ciò che osserviamo come energia oscura. Nel nostro vero Universo, che contiene tutte e tre queste, 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 in seguito. Per quanto ne sappiamo, l’energia oscura continuerà a dominare l’Universo per sempre.
Ora, ecco la parte difficile. Ogni volta che guardiamo una galassia lontana, ne vediamo la luce così com’è in questo momento: al suo arrivo. Ciò significa che la luce emessa subisce una serie di effetti combinati:
- la differenza tra il potenziale gravitazionale da dove è stato emesso a dove arriva
- la differenza nel moto dell’oggetto emittente attraverso il suo spazio e il moto dell’oggetto assorbente attraverso il suo spazio locale
- 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, che può variare da centinaia fino a qualche migliaio di chilometri al secondo.
Ma la terza parte è l’effetto dell’espansione cosmica. A distanze superiori a circa ~100 megaparsec, 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 a una frequenza: una velocità per unità di distanza. Esprimerla come una certa quantità di chilometri al secondo per megaparsec nasconde che “chilometri” e “megaparsec” sono entrambi distanze e si annulleranno se si converte l’uno nell’altro.
La luce proveniente da oggetti distanti subisce effettivamente uno spostamento 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 semplicemente si espande; siamo noi che infiliamo a forza una “velocità” perché è quella con cui abbiamo familiarità.
Cosa sta realmente accelerando nel nostro Universo in accelerazione?
Una difficoltà che abbiamo è che non possiamo effettivamente misurare la velocità di un oggetto distante. Possiamo misurarne la distanza attraverso una serie di proxy, come quanto è luminoso/debole o quanto grande/piccolo appare nel cielo, presumendo di sapere o di poter capire quanto è 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. Tale 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 intendiamo in realtà (e non è affatto ciò che intuiresti) è che se osservi lo stesso oggetto mentre l’Universo si espande, non solo continuerà ad aumentare la sua distanza da te, allontanandosi sempre di più, ma la luce che ricevi da questo oggetto continuerà a mostrare uno spostamento verso il rosso sempre maggiore, il che fa sembrare che stia accelerando allontanandosi da te.
In realtà, però, lo spostamento verso il rosso è dovuto all’espansione dello spazio, non alla galassia che si allontana da voi sempre più velocemente. Il tasso di espansione, se dovessimo effettivamente misurarlo nel tempo, sta ancora diminuendo e alla fine si sposterà asintoticamente verso un valore finito, positivo e diverso da zero; questo è ciò che significa vivere in un Universo dominato dall’energia oscura.
Cosa determina la “distanza” in un Universo in espansione?
Quando parliamo della distanza di un oggetto nell’Universo in espansione, stiamo sempre scattando un’istantanea cosmica, una sorta di “vista di Dio”, di come sono le cose in questo particolare istante nel tempo: quando arriva la luce da questi oggetti distanti. Sappiamo che stiamo vedendo questi oggetti come erano nel lontano passato, non come sono oggi, circa 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, ma piuttosto come erano quando hanno emesso la luce che arriva oggi.
Ma quando parliamo di “quanto è lontano questo oggetto“, non ci stiamo chiedendo quanto fosse lontano da noi quando ha emesso la luce che stiamo vedendo ora, e non ci stiamo chiedendo per 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, ha emesso la sua luce in arrivo 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 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 lo farà un giorno, 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 comunque luce, e quella luce viaggerà attraverso l’Universo, ma il tessuto dello spazio si espanderà semplicemente in modo troppo inesorabile perché possa mai raggiungerci.
Con ogni momento che passa, ogni oggetto non vincolato si allontana sempre di più, e gli oggetti precedentemente raggiungibili attraversano quel limite per diventare per sempre irraggiungibili. Niente si muove più velocemente della luce in un Universo in espansione, e questo è sia una benedizione che una maledizione.
Fino a che non capiremo come superare questo limite tutte le galassie, tranne quelle più vicine, potrebbero essere per sempre fuori dalla nostra portata.
