martedì 1 novembre 2016

Orizzonte e Piattezza: i Problemi dell'Universo

 Se un giorno entraste in contatto con una specie aliena intelligente, ma non abbastanza evoluta da aver sviluppato gli strumenti per l'esplorazione dello spazio, rimarreste sorpresi se scopriste che questi alieni parlano in inglese? Un problema simile si affronta quando si osserva l'Universo su grande scala.

 Nel corso dell'ultimo secolo siamo stati in grado di osservare galassie eccezionalmente lontane da noi. Ma se da un lato questo ci ha concesso di comprendere più a fondo le leggi fisiche che regolano il nostro Universo, dall'altro le osservazioni di corpi celesti a grande distanza hanno messo in luce due questioni alle quali è difficile dare una spiegazione soddisfacente. Si tratta dei Problemi dell'Orizzonte e della Piattezza.

Il Problema dell'Orizzonte

 Partiamo col Problema più semplice da illustrare, quello dell'Orizzonte. Innanzitutto: cosa intendiamo con "Orizzonte"?

 Abbiamo tutti quanti sentito parlare del Big Bang, l'enorme esplosione che crediamo abbia dato origine a tutto ciò che conosciamo. Ora, abbiamo ragione di credere che il nostro Universo sia infinito (anche se non parleremo del perché in questo articolo). Tuttavia, lo stesso non si può dire della velocità della luce, che invece si mantiene limitata.

 Dal momento che è proprio la luce che ci consente di osservare le altre regioni dell'Universo, deduciamo che le sole galassie alla portata dei nostri telescopi sono quelle la cui luce ci ha raggiunto dopo il Big Bang. In altre parole, possiamo immaginare che la Terra si trovi al centro di un'enorme sfera, la cui superficie ospita le galassie che hanno emesso i segnali luminosi che ci stanno raggiungendo in questo momento. Chiamiamo questa sfera Orizzonte Visibile (o Orizzonte di Hubble). In gergo tecnico diciamo poi che queste galassie sono appena entrate in  connessione causale con noi, ovvero che in qualche modo la loro esistenza ha influito sulla nostra. 

 Ad esempio, la luce emessa da queste galassie ha contribuito a scaldare impercettibilmente la Terra - fatto che in linea di principio potrebbe avere delle conseguenze su di noi. Al tempo stesso però anche la galassia che stiamo osservando è stata attraversata dalla luce emessa dal nostro pianeta, e quindi può in qualche modo essere stata influenzata dalla nostra esistenza.

 Ovviamente, dato che in ogni istante siamo raggiunti da raggi luminosi che provengono da regioni sempre più remote, l'Orizzonte Visibile è in continua espansione. Ma non bisogna confondere questo Orizzonte coi confini dell'Universo che, ricordiamo, è infinito (almeno secondo le teorie attuali).

 Non è un concetto semplice da afferrare, ma è piuttosto importante cercare di visualizzarlo per comprendere i Problemi dell'Orizzonte e della Piattezza.

 Il problema dell'Orizzonte emerge nel momento in cui osserviamo due regioni di spazio che non sono mai entrate in contatto causale tra di loro. Ad esempio due galassie che sono all'interno del nostro  Orizzonte Visibile, ma che sono troppo lontane tra di loro per poter essere già entrate in connessione causale. Un caso semplice in cui due regioni di spazio sono entrambe in connessione causale con noi ma non tra di loro è quello in cui osserviamo due galassie molto lontane un direzioni opposte. La luce emesse da entrambe ci ha raggiunto, altrimenti non potremmo osservarle, ma non ha coperto per intero tutta la distanza che le separa.

 Ma il Problema dell'Orizzonte in definitiva qual è?
 
 Il punto è questo: tutte le galassie che osserviamo, anche quelle non ancora in connessione causale, si comportano allo stesso modo e sembrano seguire le stesse leggi fisiche. Ma se queste non sono ancora entrate in connessione causale come mai si comportano in modo così simile?

 Un problema dello stesso ordine di idee è questo: immaginiamo che in un futuro non troppo lontano degli esseri umani atterrino su una luna di Giove e scoprano che la sua superficie è abitata da creature intelligenti. In passato né gli umani né le creature aliene sono mai entrate in contatto tra di loro eppure, sorprendentemente, queste ultime parlano in inglese. Insomma, non si tratta di una situazione fisicamente impossibile, ma è certamente un contesto troppo innaturale per poter rimanere senza una spiegazione.

La Radiazione Cosmica di Fondo
 Un'altra manifestazione del Problema dell'Orizzonte riguarda la Radiazione Cosmica di Fondo. Si tratta di onde elettromagnetiche risalenti a pochi istanti dopo il Big Bang che permeano tutto l'Universo e provengono da tutte le direzioni quasi allo stesso modo. Il fatto curioso è proprio questo: nonostante la Radiazione Cosmica di Fondo provenga da regioni non ancora in contatto causale tra di loro, le sue caratteristiche sono sempre le stesse.

Il Problema della Piattezza

 Vi ricordate di quell'articolo in cui si è parlato della Curvatura dello Spaziotempo? Avevamo discusso della deformazione dello Spaziotempo indotta dai corpi dotati di massa. Per affrontare il problema della piattezza occorre però considerare un altro tipo di curvatura.

 Per comprendere meglio questo concetto procediamo come nel precedente articolo sulla curvatura e riduciamo il nostro Universo a uno spazio a due dimensioni. In pratica stiamo "disegnando" ogni galassia, stella e pianeta esistente su un gigantesco foglio di carta. Questo procedimento è necessario per visualizzare il concetto di "curvatura", altrimenti saremmo costretti a lavorare con quattro dimensioni spaziali - impossibili da immaginare.

 A questo punto diamo vita al nostro disegno e facciamo in modo che tutti i corpi raffigurati sul foglio di carta siano liberi di muoversi su di esso. Oltre alle due dimensioni spaziali introduciamo pertanto una dimensione temporale, lungo la quale il nostro Universo può evolversi. Notiamo anche che il nostro foglio di carta sarà leggermente deformato in prossimità dei corpi dotati di massa, come previsto dalla Relatività Generale.
 In tutto questo ragionamento stiamo facendo però un'assunzione non necessaria, ovvero che l'intero foglio di carta sia globalmente "piatto". Perché mai non potremmo disegnare l'Universo - ad esempio - sulla superficie di una gigantesca sfera cava di carta?

 In linea di principio non abbiamo motivo di credere che il nostro Universo sia globalmente piatto. Anzi, con un po' di matematica è possibile dimostrare che a priori le probabilità di trovarci in un universo di questo tipo sono pari a zero. Il foglio di carta su cui siamo disegnati è quindi certamente curvo.
Le tre possibili geometrie dell'Universo

 Più precisamente, è possibile dimostrare che - oltre al caso piatto, di scarso interesse - esistono solo due tipi di universi possibili: quelli chiusi e quelli aperti. I primi sono l'analogo a quattro dimensioni della sfera di carta su cui si muovono le stelle e i pianeti che abbiamo disegnato (a dire il vero non c'è nemmeno motivo di credere che la forma dell'Universo sia sferica, l'importante è che sia descritto da una superficie chiusa). Gli universi aperti invece assomigliano alla superficie interna di una ciambella - quella che circonda il foro centrale.

 Attualmente non siamo in grado di determinare con certezza se il nostro Universo sia chiuso o aperto - anche se vi sono alcuni indizi a favore del secondo caso. Ad ogni modo, per semplicità supponiamo di abitare in un universo chiuso.

 Tornando all'esempio del foglio di carta, possiamo rappresentare questo tipo di universo come una sfera su cui sono disegnate le varie galassie in moto. Per semplificare ulteriormente la questione immaginiamo che la Terra si trovi al Polo Sud di questa sfera di carta.

 Ricordate il concetto di Orizzonte Visibile che abbiamo introdotto nel paragrafo precedente? Consideriamo l'Orizzonte Visibile del pianeta Terra. Questo sarà rappresentato da una circonferenza centrata grossomodo nel Sistema Solare in continua espansione sulla superficie della sfera di carta. Per capirci: se questo tipo di universo venisse proiettato su un mappamondo e la Terra si trovasse al Polo Sud, poco dopo il Big Bang questo Orizzonte Visibile avrebbe raggiunto i confini dell'Antartide. Dopo un altro breve intervallo di tempo avrebbe toccato il Sudafrica. Dopo altro tempo avrebbe raggiunto il Kenya, quindi l'Egitto, l'Italia, l'Islanda, e così via fino al Polo Nord. Insomma, mano a mano che il tempo scorre l'Orizzonte Visibile si allarga sempre più.

 Immaginiamo però che un osservatore al Polo Sud voglia determinare se il suo universo è chiuso o aperto. Questi avrà ovviamente accesso solo alle informazioni contenute all'interno del suo Orizzonte Visibile. Diventa allora chiaro che la cosa migliore per lui è aspettare un po' di tempo: finché l'Orizzonte è confinato all'interno dell'Antartide, per esempio, è piuttosto difficile accorgersi della curvatura della Terra. Solo quando l'Orizzonte Visibile avrà raggiunto una minore latitutine sud sarà possibile accorgersi della curvatura.

 Ma allora dove sta il Problema della Piattezza?

 Poco fa ho scritto che attualmente non siamo in grado di determinare in che tipo di universo ci troviamo. Il nostro Orizzonte Visibile non si è ancora espanso a sufficienza da permetterci di giungere a una conclusione. La cosa strana è che il nostro Universo ha più di 13 miliardi di anni, possibile che dopo tutto questo tempo la curvatura non si sia ancora manifestata?

 Insomma, attualmente il nostro Universo pare essere straordinariamente simile a uno piatto. Possiamo farci un'idea di quanto sia innaturale questa situazione: la curvatura dell'Universo è determinata da un certo parametro - chiamato densità. Se la densità di un universo è superiore a un certo valore critico avremo un universo chiuso, se è inferiore l'universo sarà aperto, e solo se è esattamente uguale a tale valore si cadrà nel caso piatto. Il problema è che per ottenere un Universo vecchio quanto il nostro e approssimativamente piatto, la sua densità negli istanti immediatamente successivi al Big Bang non deve differire da quella critica per più dello 

0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001 %
(sono 60 zeri)

 Come per il Problema dell'Orizzonte, non si tratta di una situazione fisicamente impossibile, ma solo estremamente innaturale.


Conclusioni

 In questo articolo ci siamo occupati dei due principali problemi in cui ci si imbatte non appena si osserva l'Universo su scale cosmologiche. Il primo, il Problema dell'Orizzonte, riguarda l'evoluzione di sistemi fisici che non sono mai entrati in contatto causale tra loro, come Galassie molto distanti o la Radiazione Cosmica di Fondo. Questi sistemi evolvono inspiegabilmente allo stesso modo. Il secondo, il Problema della Piattezza, emerge invece quando si cerca di determinare se il nostro Universo sia chiuso o aperto. Dopo 13,6 miliardi di anni la curvatura dovrebbe ormai essere ben evidente - invece non è così, e le circostanze che danno vita a un tale Universo sono decisamente innaturali.

 Prossimamente pubblicherò un articolo sulla soluzione che i cosmologi odierni offrono a questi due Problemi. Nel frattempo, spero che l'articolo ti sia piaciuto!

2 commenti:

  1. Ciao
    Si scrivi articoli sempre molto interessanti, almeno per me.
    Non capisco però quale sia il problema dell'orizzonte. Mi sfugge qc: Anche se non entrate in contatto casuale tra loro perché ai due lati opposti del nostro orizzonte due galassie sono simili e si comportano in modo simile perché seguono le stesse leggi fisiche...non capisco quale sia l'anomalia e perché non debba essere così...potresti spiegarmi meglio? Ti ringrazio!

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    1. Ciao, mi fa molto piacere che ti piacciano gli articoli del blog!
      Per quanto riguarda il Problema nell'Orizzonte, il punto è che regioni che non sono mai entrate in contatto causale fra loro presentano le stesse proprietà fisiche. Il fatto che in queste valgano le stesse leggi naturali non è sufficiente a spiegare questa eccezionale regolarità. Possiamo vederla anche in questo modo: anziché focalizzarci su due singole galassie consideriamo tutte quelle incluse in una regione. Se il loro numero è abbastanza elevato possiamo trattare l'intero sistema come un gas (solo che al posto delle classiche particelle abbiamo delle galassie). Trattandosi di un gas è possibile definire delle grandezze che lo descrivano, come la densità ad esempio. A questo punto potremmo chiederci: non è strano che il gas contenuto in due regioni non connesse causalmente abbia (quasi) esattamente la stessa densità? In linea di principio ci aspetteremmo che due regioni non in contatto causale siano contraddistinte da una diversa densità di galassie. Invece l'intero Universo ci appare meravigliosamente omogeneo. Lo stesso ragionamento può essere ripetuto anche con altre proprietà fisiche (temperatura, pressione,...).

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