La scienza spiegata: Come può il diametro dell’universo superare la sua età?

Le dimensioni dell’universo

La velocità della luce è una delle proprietà più importanti e fondamentali del nostro universo. Viene usata per misurare le distanze, per le comunicazioni interplanetarie e in vari calcoli matematici. E questo è solo l’inizio.

La velocità alla quale la luce viaggia nel vuoto – 299.792 chilometri (186.282 miglia) al secondo – è statica e immutabile. Se si rimuove questa costante, il fondamento stesso della fisica moderna si sgretola per una serie di ragioni, e la regola generale può essere riassunta con questo: Niente nell’universo può viaggiare più veloce della velocità della luce.

Come si può immaginare, sorge una certa confusione quando si considera il fatto che l’universo non ha 13,8 miliardi di anni luce – un numero che corrisponde all’età dell’universo. Secondo le stime attuali, è in realtà un po’ più grande, con un diametro stimato di circa 93 miliardi di anni luce. E questo è solo quello che possiamo vedere. Quello che non possiamo vedere può continuare all’infinito.

Quindi, come può l’universo essere largo 93 miliardi di anni luce se ha solo 13,8 miliardi di anni e nulla può viaggiare più veloce della luce?

Comprendere il Redshift

Prima di capire perché le dimensioni dell’universo sono così grandi rispetto alla sua età, è importante capire come funziona la luce.

Isaac Newton è stato senza dubbio una delle più grandi menti mai vissute. Oltre ad aver “inventato” il calcolo, è stato il primo scienziato a capire veramente l’essenza della luce e cosa succede quando la si scompone nelle sue parti costitutive.

Per cominciare, la sua ricerca ha rivelato che il nero è l’assenza di colore, mentre la luce bianca – come quella che proviene dal Sole e da altre stelle – è una combinazione di ogni colore. Guardando la luce di un oggetto attraverso un prisma, si possono vedere gli elementi corrispondenti che la luce rappresenta, che possono poi essere utilizzati per aiutare a determinare la composizione dell’oggetto, la temperatura e anche dove si trova nel processo evolutivo.

In più di un modo, il lavoro di Newton ha rivoluzionato la fisica e ha aperto la strada a tutti i grandi, compresi Niels Bohr, Max Planck e, naturalmente, Albert Einstein. Ai fini di questa discussione, tuttavia, lo scienziato più rilevante per costruire il lavoro di Newton si chiamava Christian Doppler.

Doppler venne alla ribalta centinaia di anni dopo la morte di Newton, e se non avete familiarità con il suo lavoro, ha scoperto qualcosa che ora è chiamato effetto Doppler. Questo processo spiega perché una parte della luce proveniente da sorgenti cosmiche tende ad avvicinarsi all’estremità rossa dello spettro elettromagnetico, mentre una parte della luce è più vicina all’estremità blu.

In termini semplici, l’effetto Doppler nota come la lunghezza d’onda della luce viene spostata in base alla direzione in cui la sorgente si sta muovendo, come se qualcosa sta venendo verso di noi o si sta allontanando. In particolare, le onde luminose saranno allungate se la fonte si sta allontanando dall’osservatore, apparendo così rosse (la lunghezza d’onda più lunga). Al contrario, le onde luminose saranno compresse se l’oggetto si sta dirigendo verso l’osservatore, apparendo così blu (la lunghezza d’onda più corta).

Lungo la strada, si è presentato un cambio di gioco. Alla fine, quasi tutte le galassie sembravano spostarsi verso una lunghezza d’onda più lunga, il che significava che sembravano rosse, come se si stessero allontanando da noi. Ancora più sorprendente, non solo la maggior parte delle cose si stava allontanando da noi, ma questo redshift stava aumentando, il che significa che gli oggetti si stavano allontanando da noi sempre più velocemente.

Questo ha portato alla scoperta che l’universo non è stazionario, come alcuni credevano che fosse – in realtà si sta espandendo!

L’espansione dell’universo

Ecco dove le cose si fanno difficili. Le nostre osservazioni del redshift hanno rivelato che gli oggetti tre volte più lontani si muovono tre volte più velocemente rispetto alle galassie vicine. Più lontano guardiamo nello spazio, più velocemente si muovono le galassie – in effetti, si muovono così velocemente a queste grandi distanze che superano facilmente la velocità della luce. Tuttavia, come già detto, la velocità della luce è il limite di velocità universale. Quindi come può essere?

Prima di tutto, nota che mentre c’è un limite a ciò che possiamo vedere, l’universo reale si estende molto più lontano di quanto possiamo comprendere. Tutto ciò che rientra in questo limite è chiamato “universo osservabile” e comprende:

• 10 milioni di superammassi
• 25 miliardi di gruppi di galassie
• 350 miliardi di galassie grandi
• 7 trilioni di galassie nane
• 30 miliardi di trilioni (3×10²) di stelle

Se tutto questo fosse infilato in 13.7 miliardi di anni luce di spazio, l’universo sembrerebbe piuttosto affollato.

Il primo problema con l’assunzione che la dimensione dell’universo dovrebbe essere uguale alla sua età in anni basata sulla distanza percorsa dalla luce arriva quando guardiamo i primi momenti che hanno seguito il Big Bang.

Quando l’universo è “spuntato” per la prima volta circa 13,75 miliardi di anni fa, lo stesso spaziotempo ha cominciato ad espandersi a velocità superiori a quella della luce. Questo periodo, chiamato inflazione, è parte integrante per spiegare molto di più delle dimensioni dell’universo. Riguarda anche cose come la natura omogenea dello spazio su larga scala e le condizioni che esistevano durante la prima epoca.

In pratica, l’universo passò da uno stato infinitamente denso e caldo a una vasta area brulicante di protoni e neutroni – particelle che alla fine si unirono e forgiarono i mattoni di tutta la materia – in pochi istanti. Dopo che l’inflazione iniziale si è spenta, l’espansione è rallentata. Ora, gli oggetti vengono allontanati da una forza misteriosa chiamata energia oscura.

Più veloce della luce

Attraverso mezzi che non sono ancora stati accertati, questa espansione sembra avvenire più velocemente della velocità della luce, ma questo non significa quello che probabilmente pensi.

Ho paura che la confusione derivi da un’interpretazione errata della relatività stessa. Vedete, la teoria afferma che gli oggetti non possono viaggiare più velocemente della velocità della luce attraverso lo spaziotempo. Tuttavia, non pone alcun limite allo spaziotempo stesso.

Quindi, per riassumere, la dimensione dello spazio non è in conflitto con la fisica di base.

In sostanza, le galassie stesse (e qualsiasi altro oggetto nello spazio) non stanno infrangendo alcuna legge, perché non stanno viaggiando nello spazio più velocemente della luce (almeno, non nel senso tradizionale). Piuttosto, ogni porzione di spazio si sta espandendo e allungando. Non è nemmeno che i bordi stiano volando verso l’esterno, ma che lo spaziotempo stesso – l’area tra le galassie, le stelle, i pianeti, tu ed io – si sta allungando.

In breve, lo spaziotempo si sta espandendo e sta spingendo la materia a parte. La materia non sta realmente viaggiando attraverso lo spaziotempo.

Come interessante inciso, purtroppo, l’espansione ha alcune implicazioni tristi per il futuro dell’universo. Supponendo che l’espansione continui indefinitamente (e non rallenti), l’orizzonte dell’universo visibile si ridurrà gradualmente fino a quando gli oggetti saranno semplicemente troppo distanti perché la luce di una galassia possa mai raggiungere un’altra. Grazie all’espansione, questi oggetti sono stati portati via, e alcune galassie e altri oggetti sono stati spostati in rosso fuori dall’esistenza (o comunque fuori dalla nostra vista). Le galassie più lontane sono tra le cose più antiche dell’universo, essendosi formate quando l’universo aveva solo milioni di anni, ed è probabile che la maggior parte di esse non esista più o si trovi oggi in una sezione completamente diversa del cosmo.

Informazioni aggiuntive di Jaime Trosper.

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