giovedì 1 ottobre 2015

L'espansione dell'universo in camera da letto

Questo è uno di quei post che uno rimanda tante volte per diversi motivi. Vuoi perché non è proprio il modo migliore di cominciare un blog di scienza, vuoi perché richiede prima tutta una serie di post propedeutici (tipo questo o quest'altro) che permettano innanzitutto semplicemente di dire "Ragazzi, l'universo si espande, poi ne riparleremo un giorno".
Con il passare del tempo ho capito che la questione dell'espansione dell'universo dovesse meritare un post tutto per sé, poiché l'interesse verso tale questione da parte delle persone che incontro in giro è molto elevato.
Infatti molto spesso, anzi praticamente sempre, mi viene fatta la seguente domanda: "Sandro, tu dici sempre che l'universo si espande, che la teoria del Big Bang descrive il nostro universo come un'espansione dello spazio. Allora perché, per esempio, la distanza tra i pianeti del Sistema Solare o tra la Via Lattea e Andromeda non aumenta? Cioè, perché lo spazio sembra espandersi solo a grandi scale?"
Tale domanda (che, ripeto, mi è stata posta davvero tante volte) è una domanda seria e quindi merita una risposta seria, dopo tanti post su Quantizzando dove praticamente la questione è stata lasciata un pochino in sospeso.

Tuttavia, giustamente, ora vi starete chiedendo quale sia la mia tipica risposta. Dunque, io dico sempre che il punto è che la Via Lattea e Andromeda sono molto vicine e quindi fortemente legate gravitazionalmente; quindi esse si muovono insieme nell'espansione dell'universo. L'esempio che quasi sempre faccio è quello dell'espansione dell'universo vista come un fiume che scorre mentre la Via Lattea e Andromeda sono due loschi (si fa per dire, eh) figuri che si azzuffano nell'acqua. In tal modo, mentre l'universo/fiume continua a scorrere, le due galassie restano vicine.
Tuttavia, ogni volta mi rendo conto che la spiegazione in termini di gravità che tiene legato il sistema non è esattamente quello che vorrei dire. Insomma, spesso lascio in sospeso la questione anche quando mi trovo a rispondere di persona. D'altra parte ci vorrebbe una serata intera per spiegare per bene le cose (e la lunghezza di questo post ne è una prova). E neanche esempi celebri, che non lesino ad utilizzare, come quello del palloncino che si gonfia, non sono altro che un qualcosa di molto umano: ovvero il tentare di porre la questione tramite idee e similitudini che abbiano un qualche aggancio con la realtà quotidiana. Se da un lato tutto ciò funziona, dall'altro si corre il rischio di mandare fuori strada, qualora qualcuno volesse approfondire.
Per questo motivo ho deciso di chiarire la questione per bene (ci provo, almeno) tramite un (lungo) post su questo blog, mettendo nero su bianco la faccenda in maniera tale da prenderci tutto il tempo che ci serve e magari anche una bella tazza di tè durante la lettura.
Allacciate le cinture, si parte.


La questione dell'interpretazione dell'espansione dell'universo può sembrare una mera disputa filosofica oppure una semplice discussione tra astrofisici che hanno tempo da perdere. Invece, a mio avviso, si tratta di un qualcosa che chiarisce molto bene alcuni punti che spesso non solo il pubblico di non addetti ai lavori ma anche studenti di astronomia danno talvolta per scontato (e includo anche me stesso nel computo, ovviamente).
Tuttavia, nel corso di questo post non dirò niente di sconvolgente ma spero qualcosa che vi faccia dire il classico "Ahhhh, ora ho capito". In particolare, il fatto fondamentale che l'espansione dello spazio non è una legge della fisica bensì una descrizione di come osserviamo l'universo.

Eccola qua l'espansione dell'universo.
Abbiamo parlato spesso del fatto che nel 1929, l'astronomo americano Edwin Hubble osservò un fatto sperimentale molto importante: misurò la distanza delle galassie e il loro redshift e notò che le galassie si stanno tutte allontanando da noi e, in particolare, che più sono lontane e più fuggono velocemente. Come già detto, si tratta di un fatto, di un'osservazione. Il passo successivo è utilizzare una qualche teoria per spiegare questa roba in un contesto più ampio.
Per fortuna qualche anno prima Albert Einstein aveva sviluppato la sua teoria della Relatività Generale, la quale, essenzialmente, è una teoria che descrive come funziona la gravità - a proposito, quest'anno è il centenario, a Novembre scriverò un post a riguardo.
Naturalmente, altri personaggi dell'epoca, come ad esempio Aleksandr Fridman, colsero la balla al balzo e con un paio di calcoli cominciarono a ipotizzare modelli del nostro universo.
Ma cosa vuol dire avere un modello del nostro universo? Seguendo le linee guida della teoria della Relatività Generale, praticamente ciò vuol dire buttare giù un paio di equazioni che possano descrivere come si evolve l'universo dal punto di vista di un qualche osservatore. Infatti, la teoria della Relatività ci dice proprio che le equazioni possono cambiare quando osservatori diversi, magari che hanno diverse velocità relative, provano a descrivere i fenomeni fisici.

E quale tipo di osservatore viene chiamato in causa per buttare giù le equazioni che ci raccontano come l'universo si evolve? Uno abbastanza particolare:  un osservatore per cui l'universo appare essere omogeneo e isotropo. Perché questa scelta? Senza addentrarsi troppo in meandri tortuosi, diciamo che assumendo che non occupiamo un posto speciale nell'universo (questo è il cosiddetto Principio Copernicano), siccome abbiamo prove evidenti che l'universo sia isotropo (cioè uguale in tutte le direzioni) abbiamo che l'universo deve essere omogeneo (cioè sempre uguale anche se ci si sposta da un posto all'altro).
Ovviamente, risulta immediatamente chiaro, già buttando un occhio nella nostra camera da letto, che l'universo non è affatto omogeneo e isotropo; infatti, quando parliamo di omogeneità e isotropia dell'universo dobbiamo sempre ricordarci che ci riferiamo a proprietà che riguardano pezzettoni molto ampi del nostro universo, che contengono, per esempio, moltissimi ammassi di galassie.
Bene, detto questo e dunque assumendo che l'universo sia omogeneo e isotropo, lasciamo che qualcuno butti giù un paio di equazioni ed ecco che abbiamo un qualcosa che sembra descriverci un universo in cui le galassie si allontanano perché lo spazio tra di esse si espande.
O meglio, non è che lo spazio si "allunghi" ma piuttosto si può pensare che "nuovo" spazio viene creato istante per istante.

Il classico esempio dell'espansione dello spazio come un palloncino che si gonfia.
Ottimo (più o meno). Ma torniamo un attimo alla nostra camera da letto: perché lo spazio della mia camera non si espande? Perché le pareti non si allontano così da ottenere una camera più grande senza bisogno di chiedere il permesso al catasto comunale?
Dunque, abbiamo appena visto che se consideriamo il comportamento globale del pezzettone di universo che da osservatori descriviamo con le nostre equazioni della Relatività Generale abbiamo che una buona descrizione di ciò che accade è che lo spazio si espande. E va bene.
Quando però guardiamo alla nostra camera da letto notiamo che non possiamo più applicare il concetto di un universo omogeneo e isotropo, neanche se fossimo le persone più ordinate del mondo e, ovviamente, non lo siamo: c'è sempre un calzino a ricordarcelo.
[Inoltre, gli atomi delle pareti sono tenuti insieme da campi elettromagnetici e quindi non sono libere di muoversi nell'universo come pare e piace a loro, essendo sottoposte ad un vincolo.]
Perciò, siccome la camera da letto non è omogenea e isotropa, allora non possiamo applicare le equazioni che Fridman ha calcolato il secolo scorso.

E allora? Lo spazio non si espande più?
Non è così. Il punto è che l'interpretazione di spazio che si espande si può dare quando delle precise condizioni (tipo omogeneità e isotropia) si possono applicare al sistema fisico. E non è il caso della camera da letto. Mi raccomando, ciò non vuol dire che lo spazio si espande su certe scale e non lo fa su altre. Quello che voglio dire è che quando si parla di espansione dello spazio si parla di una descrizione di come osserviamo le proprietà globali dell'universo, ma non quelle locali.

Per esempio, pensiamo all'energia oscura. Lo so, non abbiamo idea di cosa sia, per questo assumiamo si tratti di un qualche cosa che abbia una densità omogenea nell'universo. Ma ci serve solo per il nostro esempio.
Dunque, date le proprietà appena descritte, l'aggiunta di energia oscura non cambia le cose e globalmente restiamo omogenei e isotropi.
Localmente invece? Siccome abbiamo aggiunto un qualcosa riempie l'universo in maniera completamente omogenea, sembrerebbe che ora l'omogeneità e l'isotropia si possano applicare anche su piccole scale. E invece no, perché, nonostante tutto, su scale minori abbiamo ancora una maggiore concentrazione di materia (oscura e non) rispetto all'energia oscura e quindi di nuovo abbiamo una situazione non omogenea (dovuta alla distribuzione non omogenea di materia su piccole scale) che non può essere descritta con l'idea di spazio in espansione, poiché tale idea si può usare solo quando proviamo a descrivere qualcosa di omogeneo e isotropo come, ad esempio, è il caso dell'universo su grande scala.

"Scusa il ritardo ma sai com'è, l'universo continua ad espandersi."
Insomma, ricapitolando, il punto è che una teoria descrive l'universo che osserviamo. E per farlo bisogna mettersi d'accordo su alcune ipotesi. Fino a quando le ipotesi sono valide la descrizione che abbiamo in mente funziona. Una volta che le osservazioni smentiscono le ipotesi richieste, fallisce la descrizione dell'universo secondo la teoria globale.
Quindi, in questo senso, poiché la descrizione tramite espansione dello spazio è figlia di un universo omogeneo e isotropo, allora nella nostra camera da letto, dove l'omogeneità e l'isotropia non esistono affatto, non possiamo descrivere l'universo come lo spazio che si espande.


Ora, per concludere, torniamo all'inizio, allo spunto di questo post: perché la Via Lattea e Andromeda non si allontanano? Abbiamo cercato di capirlo: la descrizione di uno spazio in espansione non si può adattare su sistemi (relativamente) piccoli come quello formato dalla nostra galassia e la vicina Andromeda, per il semplice motivo che l'idea di espansione dello spazio si applica alla descrizione globale di un universo omogeneo e isotropo. Praticamente, ci vogliono altre equazioni per descrivere quello che accade al pezzettino di universo formato dalla Via Lattea e Andromeda.
In questo senso, l'esempio che cerco sempre di fare, cioè quello del ruscello, forse adesso potrebbe risultare più chiaro. Praticamente la Via Lattea e Andromeda si muovono in un universo globalmente omogeneo e isotropo (rappresentato dal fiume) e, in questo senso, si comportano proprio come la nostra assolutamente non omogenea e non isotropa camera da letto, le cui pareti restano ben salde.

Ovviamente questo quadro raffigurante il fatto che la Via Lattea e Andromeda si muovono come coppia innamorata si applica solo quando descriviamo il moto della coppia all'interno di una descrizione su scala molto grande dell'universo.

Quindi, quando mi sentite dire (o sentite altri dire) che la forza di gravità tiene insieme le due galassie in modo tale che l'espansione dello spazio non ha luogo in realtà voglio dire che i due sistemi non possono essere descritti con le stesse equazioni, ovvero secondo lo stesso sistema di riferimento, per il semplice fatto che in un caso abbiamo omogeneità e isotropia e nell'altro invece no.

Dunque, se non lo si fosse già capito, fare analogie e/o esempi quando si cerca di raccontare come funziona l'universo non è facile e comunicare tramite esempi tipo il palloncino o la pagnotta con l'uvetta o ancora, nel mio caso, il fiume che scorre, non è per forza la cosa migliore da fare.
D'altro canto è questa la sfida della comunicazione della scienza. Insomma, alla fine che sia un esempio o un altro, non è che ci interessino più di tanto le dispute tra astrofisici; l'unica cosa che in questa sede vogliamo capire, qualitativamente, è come descrivere l'universo che osserviamo. E allora, in tale contesto pensare ad un universo come ad un palloncino, oppure alla Via Lattea e ad Andromeda come troppo impegnati in una danza gravitazionale per preoccuparsi dell'universo che si espande credo siano esempi che possano ancora andare bene.

Sarò ripetitivo, ma l'unico appunto che mi sento di fare, come conclusione, è non dimenticare che le teorie sull'universo non fanno altro che descrivere quello che osserviamo e quindi la scienza è sempre pronta ad abbracciarne una nuova che, magari, sia in grado di fornirci nuovi spunti, possibilmente per nuovi esempi da utilizzare per raccontare meglio come funziona l'universo.

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Per saperne di più suggerisco, a chi ne avesse voglia, questo articolo scientifico (comprese le varie referenze al suo interno): Expanding Space: the Root of all Evil? (in inglese, in sostanza c'è scritto quello che avete letto in questo post in maniera più articolata, con un po' di equazioni a supporto).