Se l’universo si sta espandendo, all’interno di cosa si espande?

La breve risposta di una sola parola a questa domanda è tanto concisa quanto insoddisfacente: se stesso. L'Universo si espande in se stesso, piuttosto che in qualsiasi definibile mezzo "esterno"

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Se l'universo si sta espandendo, all'interno di cosa si espande?
Se l'universo si sta espandendo, all'interno di cosa si espande?

Da quasi 60 anni, il Big Bang è la nostra teoria di maggior successo per quanto riguarda la spiegazione dell’origine dell’universo. Partendo da uno stato caldo, denso, ricco di materia e radiazioni, l’Universo si è espanso, raffreddato e ha gravitato. Man mano che si è evoluto, ha formato protoni e neutroni, i primi elementi leggeri, atomi stabili e, infine, stelle, galassie, pianeti e una chimica complessa in grado di dare origine alla vita. Oggi, Circa 13,8 miliardi di anni dopo che tutto ebbe inizio, eccoci qui, ad osservare l’Universo ancora in espansione e a lavorare per capire esattamente da dove provenga tutto e come sia arrivato ad essere così com’è oggi.

Ma se l’Universo si è espanso per tutto questo tempo, all’interno di cosa si sta espandendo?

La breve risposta di una sola parola a questa domanda è tanto concisa quanto insoddisfacente: se stesso. L’Universo si espande in se stesso, piuttosto che in qualsiasi definibile mezzo “esterno“.

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La scoperta di Hubble di una variabile Cefeide nella galassia di Andromeda, M31, ci ha aperto l’Universo, fornendoci le prove osservative di cui avevamo bisogno per le galassie oltre la Via Lattea e portandoci all’espansione dell’Universo. ( Crediti : NASA, ESA e Hubble Heritage Team (STScI/AURA); Illustrazione tramite NASA, ESA e Z. Levay (STScI))

Ci sono state due prove osservative che sono arrivate più o meno nello stesso periodo: nella prima parte del 20° secolo. In primo luogo, l’astronomo Vesto Slipher aveva osservato una varietà di nebulose nel cielo, sfruttando una nuova tecnica (all’epoca) nota come spettroscopia. Spezzando la luce di questi oggetti nelle loro varie lunghezze d’onda, Slipher ha notato che molti di loro avevano le stesse linee spettrali che conoscevamo dagli elementi conosciuti, ma che erano sistematicamente spostate: come se qualcosa le avesse allungate a lunghezze d’onda maggiori. Una possibile spiegazione era quella di uno spostamento Doppler, come se questi oggetti si stessero allontanando da noi.

In secondo luogo, a partire dal 1923, Edwin Hubble (con il suo assistente, Milton Humason) iniziò, quasi per caso, a identificare le singole stelle in queste nebulose a spirale ed ellittiche. Inizialmente cercando di osservare le novae, Hubble si rese conto che alcuni di questi “bagliori” erano in realtà stelle variabili periodiche, che si illuminavano e si affievolivano. Conoscendo la natura di questi oggetti e osservando quanto apparivano luminosi, è stato possibile determinarne la distanza.

Ed ecco, combinando queste due informazioni, è emersa una nuova immagine: quella in cui, in media, più una galassia era lontana da noi, più la sua luce sembrava essere spostata verso la parte più rossa e con lunghezza d’onda maggiore dello spettro.



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La trama originale di Edwin Hubble delle distanze delle galassie rispetto al redshift (a sinistra), che stabilisce l’Universo in espansione, rispetto a una controparte più moderna di circa 70 anni dopo (a destra). In accordo sia con l’osservazione che con la teoria, l’Universo è in espansione, e la pendenza della retta che correla la distanza alla velocità di recessione è una costante. ( Crediti : E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

Avevamo già confermato le previsioni della Relatività Generale in modo spettacolare durante l’eclissi solare totale del 1919, e ci eravamo già resi conto che “spazio” e “tempo” non erano quantità assolute nel nostro Universo, ma erano intessuti insieme nel tessuto dello spaziotempo.

Mettere insieme tutte queste cose significava che, una volta che ci fossimo resi conto che l’Universo era pieno di materia e altre forme di energia, non avremmo potuto avere un Universo statico e stabile. L’Universo, invece, deve essere o in espansione o in contrazione.

Le osservazioni indicavano abbastanza chiaramente che si stava verificando un’espansione, non una contrazione; come spesso accade in fisica, quando le equazioni rivelano che ci sono molteplici soluzioni possibili, devi guardare all’Universo stesso per scegliere quale soluzione corrisponde alla tua realtà fisica. Sebbene, in teoria, l’Universo avrebbe potuto espandersi o contrarsi, l’espansione è ciò che sta effettivamente facendo.

Ci sono due analogie comuni che usiamo per dare un senso fisico all’Universo in espansione, sebbene ognuna abbia i suoi limiti.

Uno è quello di trattare l’Universo come un pallone e, in particolare, come un pallone con monete incollate (o fissate in altro modo) sulla sua superficie. L’Universo in espansione, quindi, è paragonabile al gonfiare (o far esplodere) questo pallone, e le monete sulla superficie del pallone sono analoghe alle galassie nello spazio. Se tu stesso vivi in ​​una galassia – all’interno di una di queste monete – allora mentre l’Universo si espande, vedrai tutte le monete che si allontanano l’una dall’altra. Le monete vicino a te si allontanano relativamente lentamente; le monete più lontane sembrano retrocedere più velocemente. Non è che le monete si “muovano” rispetto al tessuto dello spazio, ma piuttosto che l’espansione dello spazio le allontana sempre più nel tempo.

Quando un pallone si gonfia, tutte le monete incollate sulla sua superficie sembreranno allontanarsi l’una dall’altra, con le monete “più distanti” che si allontanano più rapidamente di quelle meno distanti. Qualsiasi luce si sposterà verso il rosso, poiché la sua lunghezza d’onda si “allunga” a valori più lunghi man mano che il tessuto del pallone si espande. Per quanto valida questa analogia sia, tuttavia, essa presenta alcuni gravi limiti fondamentali. ( Credito : E. Siegel/Oltre la Galassia)

Ma questa analogia ha i suoi difetti. Il problema è che la superficie di un pallone è solo bidimensionale, mentre il nostro Universo è tridimensionale. Un pallone si gonfia perché qualcuno o qualcosa, di solito un essere umano, gli sta soffiando aria in una dimensione spaziale extra sconosciuta agli abitanti sulla superficie del pallone. E il pallone, infatti, si sta espandendo in quella (extra) terza dimensione, mentre, nel nostro Universo, non abbiamo prove che indichino la presenza di una quarta (o superiore) dimensione extra spaziale. Devi limitarti a pensare semplicemente alla superficie del pallone e devi ignorare “l’interno” del pallone o le forze che effettivamente lo fanno gonfiare.

Un’analogia leggermente migliore, quindi, è considerare un oggetto completamente tridimensionale che si espande: come una palla di pasta di pane all’uvetta, cioè pasta di pane con uvetta distribuita dappertutto. Man mano che l’impasto lievita, si espande, ma l’uvetta al suo interno no. I chicchi di uvetta si allontanano semplicemente l’uno dall’altro in tutte e tre le dimensioni. Se sei all’interno di un’uvetta, vedi:

  • le uvette vicine che si allontanano lentamente,
  • l’uvetta a distanza intermedia che si allontana più rapidamente,
  • e le uvette più lontane che si allontanano più rapidamente di tutte,

anche se l’uvetta è effettivamente stazionaria rispetto all’impasto in espansione. Se l’impasto fosse trasparente, si comporterebbe come il tessuto dello spazio, mentre l’uvetta si comporta come singole galassie all’interno dell’Universo in espansione.

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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 due uvette sono lontane l’una dall’altra, maggiore sarà lo spostamento verso il rosso osservato nel momento in cui la luce viene ricevuta. La relazione spostamento verso il rosso-distanza prevista dall’Universo in espansione è confermata dalle osservazioni ed è stata coerente con ciò che era noto sin dagli anni ’20. ( Credito : NASA/WMAP Science Team)

Questa analogia è un po’ migliore, perché descrive il numero corretto di dimensioni e non si basa sulla presenza di alcuna dimensione “extra”, né si basa su un ulteriore impulso esterno per far “espandere” questo Universo.

Tuttavia, ci sono ancora alcuni difetti:

  • c’è un limite a quanto l’impasto può espandersi, governato dalle reazioni biochimiche delle cellule di lievito e da come convertono gli zuccheri in alcoli e gas,
  • l’impasto stesso cambia proprietà man mano che si espande, diventando più rarefatto e con una densità di massa inferiore,
  • e l’impasto si espande ancora in qualcosa: nell’aria (o nello spazio vuoto) che lo circonda al suo confine.

È quest’ultimo punto, sull’impasto che si espande in “qualcosa”, che fornisce la maggiore difficoltà nel fare un’analogia con l’Universo in espansione. Mentre l’impasto è un oggetto incorporato in una realtà più ampia (l’intero ambito dello spazio tridimensionale), l’Universo stesso è semplicemente tutto ciò che esiste. O, per lo meno, tutto ciò che deve esserci.

Un modo per superare questa difficoltà è immaginare, invece di una palla di pasta (incorporata con uvetta) nel nostro Universo tridimensionale, è immaginare un Universo tridimensionale che sia interamente riempito con questa pasta con uvetta incorporata.

In un Universo che finisce per essere dominato dall’energia oscura, ci sono quattro regioni: una dove tutto al suo interno è raggiungibile e osservabile, una dove tutto è osservabile ma irraggiungibile, una dove le cose un giorno saranno osservabili e una dove le cose non lo saranno mai. I numeri corrispondono alla nostra cosmologia di consenso all’inizio del 2023. ( Crediti : Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons; annotazioni: E. Siegel)

Abbiamo tutte le ragioni per pensare che l’Universo osservabile – il cui orizzonte cosmico è definito da una combinazione del tasso di espansione, della velocità della luce e della quantità di tempo trascorsa dal Big Bang – rappresenti solo una piccola frazione di un più grande, Universo inosservabile più completo. La quantità che possiamo vedere e accedere è aumentata nel tempo e continuerà a farlo, poiché la luce che è stata emessa molto tempo fa, luce che è già in viaggio verso di noi, alla fine ci raggiungerà, nonostante la continua espansione dello spazio. Dato abbastanza tempo, più del doppio del volume attuale di “Universo” alla fine diventerà visibile per noi.

Ed è possibile, anche se nessuno ne è certo, che questo Universo inosservabile possa essere veramente infinito in estensione. Non avrebbe senso, se così fosse, chiedersi “in cosa si sta espandendo”, perché è già infinito: copre ogni centimetro cubo di “spazio” immaginabile. Pensa alle seguenti domande:

  • Cos’è l’infinito più l’infinito? È ancora infinito.
  • Cosa ottieni raddoppiando, triplicando o quadruplicando l’infinito? È ancora infinito.
  • E cosa succede se moltiplichi l’infinito per l’infinito, anche se lo fai in più dimensioni? Ottieni ancora solo l’infinito.

Ecco com’è l’Universo in espansione se è veramente infinito, ed è qualcosa che anche molti non fisici (o non matematici) possono vedere da soli.

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Sebbene si preveda che molti universi indipendenti vengano creati in uno spaziotempo in espansione, l’inflazione non finisce tutta in una volta, ma piuttosto solo in aree distinte e indipendenti separate dallo spazio che continua a gonfiarsi. Ecco da dove viene la motivazione scientifica per un Multiverso, e perché due Universi non si scontreranno mai. L’Universo non si espande in nulla; esso stesso si sta espandendo. ( Credito : Ozytive/Pubblico dominio)

Ora, non c’è alcuna garanzia che l’Universo sia infinito, o che anche “l’Universo inosservabile” rappresenti la totalità di ciò che è là fuori. È possibile – come suggerisce fortemente la teoria dell’inflazione cosmica – che il nostro Universo, per quanto grande possa essere, sia solo una regione in cui si è verificato un Big Bang. Al di fuori di quella regione c’è più spazio in cui l’inflazione non è finita, ma continua all’infinito (forse per un’eternità), ed è segnata da altre sacche in cui l’inflazione è finita e si verificano i Big Bang. Questo è comunemente noto come un multiverso, senza che due “baby Universi” si incontrino, si scontrino o si sovrappongano.

Questo significa che il nostro Universo si sta, in un certo senso, espandendo in questo multiverso inflazionistico?

La risposta, forse sorprendentemente, è no. La più grande differenza tra un palloncino, una palla di pasta e il nostro Universo reale non è cosa c’è dentro o fuori di esso, né quali sono i suoi confini o se li ha. È che quando parliamo di spazio, o spaziotempo, o del tessuto dell’Universo stesso, stiamo parlando di tutto ciò che c’è: è il palcoscenico su cui si svolge il gioco dell’Universo. Ci sono delle regole, ovviamente:

  • i giocatori sono le particelle e le antiparticelle e altri quanti di energia,
  • le regole che governano sono le leggi della fisica e i valori delle costanti fondamentali,
  • e il palcoscenico stesso non è fisso, ma piuttosto è un’entità in evoluzione,

ma non c’è “fuori” o “al di là” del cosmo; è semplicemente tutto ciò che c’è, che è mai stato e che mai sarà.

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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. Si noti che gli oggetti iniziano più vicini del tempo necessario alla luce per viaggiare tra di loro e 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)

Quando si tratta dell’Universo in espansione, non si sta espandendo in niente, perché non c’è nient’altro sopra, oltre, fuori, o prima o dopo lo spazio e il tempo. All’improvviso, è tutto e niente: tutto perché contiene tutto ciò che esiste, e niente perché se togli tutta la materia, la radiazione e i quanti che esistono al suo interno, persiste ancora: il nulla dello spazio vuoto stesso. Questo è il tessuto dello spaziotempo, ed è per questo che non può espandersi “in” nulla: esso stesso è una parte fondamentale della nostra realtà.

Ecco perché, quando chiedi “in cosa si sta espandendo l’Universo”, la migliore risposta che possiamo dare è “se stesso”. La realizzazione chiave è smettere di pensare all’Universo come a una cosa che si evolve in un contesto più ampio e più grande; è perfettamente ragionevole pensarlo come tutto ciò che esiste e riconoscere semplicemente che l’espansione e la contrazione sono proprietà inerenti allo spazio stesso.

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In teoria, potrebbero esserci più di tre dimensioni spaziali nel nostro Universo, purché quelle dimensioni “extra” siano al di sotto di una certa dimensione critica che i nostri esperimenti hanno già sondato. C’è una gamma di dimensioni comprese tra ~10^-19 e 10^-35 metri che sono ancora consentite per una quarta (o più) dimensione spaziale, ma nulla di ciò che accade fisicamente nell’Universo può fare affidamento su quella quinta dimensione . (Credito: dominio pubblico/recuperato da Fermilab Today)

Rimane ancora possibile che esista una prospettiva dimensionale superiore in cui avrebbe senso trattare il nostro Universo come in espansione, proprio come una superficie bidimensionale di un pallone si espande in tre dimensioni, ma non ci sono prove a favore questa idea. È semplicemente, al momento, un’affascinante possibilità che non può essere esclusa. Ma non è nemmeno necessario; l’Universo non ha bisogno di qualcos’altro per espandersi. Esistere semplicemente e diventare meno denso è qualcosa che può fare da solo.

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