mercoledì 16 dicembre 2015

L'universo non si espande più veloce della luce

Siamo qui oggi riuniti su Quantizzando per sfatare un altro mito riguardante l'espansione dell'universo. Qualche tempo fa abbiamo visto perché, nonostante l'universo sia in espansione, la nostra camera da letto rimane tranquillamente ferma.

Oggi parleremo di un'altra cosa che si sente in giro e, bisogna ammetterlo, spesso viene detto anche da insospettabili, come vedremo. A tal proposito vorrei fare un chiarimento subito. Vedete, gli scienziati non sono infallibili. Una/o scienziata/o si mette lì, prova a capire quella cosa; a volte diventa tutto chiaro, a volte invece no. E quindi, di conseguenza, qualche volta si sbaglia, si pasticcia, si fanno errori anche grossolani magari per il calibro della/o scienziata/o. Ma fa parte del gioco, tutto questo sbagliare e rimuginare sui propri errori è il sale della scienza. Senza errori la scienza sarebbe una fredda disciplina in cui verrebbe a mancare proprio il brivido di camminare su un terreno mai calpestato prima.

Bene, detto questo possiamo vedere cosa Richard Feynman (1918-1988), premio Nobel per la fisica nel 1965 diceva a proposito dell'espansione dell'universo:


Traduco per coloro che non conoscono l'inglese: "Non ha alcun senso preoccuparsi riguardo la possibile esistenza di galassie che si allontanano da noi ad una velocità maggiore di quella della luce - qualunque cosa ciò voglia dire -  poiché esse non si potrebbero mai osservare per ipotesi."


Mmmm. Avete capito qual è il punto: chiarire questa benedetta storia che si sente sempre come un mantra, cioè queste galassie lontanissime che si allontanano da noi più velocemente della luce. Quello che vorrei farvi capire in questo post è che Feynman aveva ragione a dire di non preoccuparsi di tali galassie. Ma non perché non sono osservabili, piuttosto perché il concetto di galassie che si allontanano a velocità superiore a quella luce non ha senso. Quindi, insomma, alla fine Feynman, per sbaglio, aveva quasi ragione ma la sua affermazione dimostra che questo concetto di velocità superluminali riguardo l'universo in espansione è duro a morire.

ATTENZIONE: il redshift non è la velocità con cui una galassia si allontana.

In qualsiasi contesto, dire che l'universo si espande più veloce della luce, non è affatto corretto. La spiegazione di ciò si può articolare in meno di un paragrafo. In pratica, quello che si misura delle galassie lontane è il redshift, cioè lo spostamento di alcune righe dello spettro elettromagnetico della luce proveniente da tali galassie. Hubble nel 1929 si accorse che più una galassia è distante più grande è il suo redshift. L'errore comune è associare il redshift alla velocità di allontanamento della galassia. In realtà il redshift fornisce una misura di un'altra cosa, ovvero di quanto le distanze nell'universo sono cambiate a causa dell'espansione. Cioè, semplicemente, l'universo si espande o si contrae e le distanze cambiano passando da un istante ad un altro.
Uno potrebbe dire: ma perché non parlare in termini di velocità?
  
ATTENZIONE: il concetto di velocità di galassie distanti non esiste proprio.

Per spiegare quest'ultima affermazione bisognerebbe far saltare due equazioni in padella, ma noi proveremo a stare a digiuno di formule e capirci comunque qualcosa. Nella sua essenza, il discorso è che due galassie non possono passare una affianco all'altra con una delle due che va più veloce della luce. Altrimenti si perde il concetto di causalità, secondo cui prima siamo giovani e poi diventiamo vecchi, per esempio. Se le galassie sono lontane, come è effettivamente nel caso delle galassie lontane dell'universo, sembra che questa regoletta non valga più ma in realtà stiamo soltanto cercando di fregare la Relatività. Il problema, però, è che finora la Relatività non l'ha ancora fregata nessuno.

Praticamente, il punto è che le velocità alla fine sono sempre relative. Cioè noi diciamo che una galassia si muove di una certa velocità rispetto a noi.

Fermiamoci solo un secondo e, prima di andare avanti,  parliamo un attimo del concetto di vettore: un vettore, per noi e solo per noi in questo post, non sarà nient'altro che una freccia di una certa lunghezza che punta in una certa direzione. La velocità è un vettore e quindi, in teoria, per confrontare due velocità dovremmo prendere il vettore velocità della galassia lontana e il vettore velocità nostro, metterli vicini e fare una sottrazione tra vettori. Se lo spazio fosse tutto bello piatto, allora non ci sarebbero problemi nel fare questa operazione. Può darsi che lo spazio tra due galassie sia più o meno curvo e allora spostare i vettori diventa più complicato. Per capirlo, immaginate di prendere un vettore e di spostarlo lungo la superficie curva del nostro pianeta: ciò dovrebbe rendere l'idea.





Per esempio prendete la coppia di vettori nel punto A e immaginate di volerli trasportare nel punto N. Niente, non c'è verso che le cose tornino come nel punto A. Però, fin quando siamo nei dintorni del punto A, possiamo, proprio come facciamo tutti i giorni quando prendiamo l'auto, il bus o il treno, pensare che la Terra sia localmente con curvatura trascurabile e spostare i due vettori senza traumi nelle loro orientazioni. Oppure, altra possibilità, è definire una maniera geometrica per trasportare i vettori lungo alcune determinate curve quando lo spazio non è piatto (si può fare!).
Ovviamente, poi dovremmo estendere tutti questi concetti allo spazio-tempo, usare un po' di formalismo geometrico del tipo usato per fare i conti in Relatività Generale...ma il succo è lo stesso: non possiamo neanche per sbaglio azzardarci a pensare alla velocità relativa rispetto a noi di una galassia lontana nel senso in cui pensiamo alle ordinarie velocità tra automobili lontane sull'autostrada.

Quindi, ricapitolando: localmente (cioè tra galassie vicine) non possiamo avere velocità più grandi di quelle della luce per non perdere il concetto di causalità mentre con le galassie lontane il concetto di velocità praticamente non ha proprio senso.
Ma tranquilli, anche Feynman, il quale ha vinto un Nobel, è inciampato sulla questione. Anzi, direi che tutti noi siamo inciampati su questa cosa almeno una volta nella vita quando abbiamo provato a capirla. Per fortuna, fare errori in astrofisica è importante per capire un argomento in maniera più profonda e una cosa che gli astrofisici sanno fare bene è proprio sbagliare e, soprattutto, imparare dagli errori perché, no, non si smette mai di imparare.


Questo post prende spunto dalla lettura di questo ottimo post di Sean Carroll sul suo ottimo blog.