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L’Universo può espandersi più velocemente della velocità della luce?

Una delle leggi fondamentali più famose di Einstein è che nulla nell’Universo può viaggiare più veloce della velocità della luce nel vuoto.

Se sei una particella senza massa, devi viaggiare a quella velocità e se hai una massa diversa da zero, è impossibile per te raggiungere quella velocità, indipendentemente da quanta energia pompi dentro.

Ancora più sorprendente e controintuitivo è questo: se una particella che si avvicina alla velocità della luce spara un’altra particella che si avvicina alla velocità della luce, non si muove quasi al doppio della velocità della luce.

In realtà, non riesce nemmeno a raggiungere la velocità della luce stessa! Ma quelle regole si applicano, rigorosamente, solo alle particelle nella stessa posizione l’una dell’altra nello spaziotempo.

Nell’Universo in espansione – nello spazio-tempo curvo in generale – le regole sono molto diverse.

A seconda di come lo vedi, l’espansione dell’Universo stesso non è affatto legata dalla velocità della luce.

Com’è possibile? Cominciamo con la velocità della luce e cosa significa.

Non importa dove ti trovi o cosa sei, c’è un limite assoluto alla velocità con cui puoi spostarti nello spazio. Potresti pensare che spendendo sempre più energia, puoi farti muovere più velocemente … e mentre questo è vero, è vero solo fino a un certo punto.

Se ti muovi a pochi metri all’ora, a pochi chilometri all’ora, o anche a pochi chilometri al secondo, come fa la Terra in orbita attorno al Sole, probabilmente non noterai nemmeno il barriere che esistono per muoversi ad una velocità infinita.

Ma esistono tutti uguali, per quanto sottilmente. Più veloce ti muovi – maggiore è il tuo movimento attraverso lo spazio – più lento diventa il tuo movimento nel tempo.

Immagina di essere completamente a riposo sulla superficie terrestre e di avere un amico che ha iniziato con te, anche a riposo, ma poi è decollato su un jet per andare in giro per il mondo.

Se avessi un orologio abbastanza sensibile, scopriresti che, quando il tuo amico completasse il suo viaggio e tornava da te, i tuoi orologi erano leggermente non sincronizzati tra loro.

L’orologio visualizzerà un tempo leggermente più tardi di quello del tuo amico, probabilmente solo di decine di microsecondi, ma abbastanza diverso da consentire una misurazione precisa per distinguerli.

E più veloce vai, più pronunciata diventa la differenza.

Gli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale, sfrecciano intorno alla Terra in soli 90 minuti, vedono i loro orologi rallentare di pochi secondi; al ritorno sulla Terra, la differenza nella quantità di tempo che passa è evidente anche con gli orologi convenzionali.

La cosa strana è che non sono solo gli orologi a funzionare in modo diverso a causa delle alte velocità con cui abbiamo a che fare, ma il tempo stesso che passa a una velocità diversa.

Il fatto che orologi ad alta velocità procedano più lentamente alle alte velocità è solo un artefatto del fenomeno più ampio che il tempo e lo spazio sono collegati e che un movimento più veloce attraverso lo spazio significa un movimento più lento attraverso il tempo.

La connessione tra i due – spazio e tempo – è data dalla velocità della luce. Più ti avvicini alla velocità della luce, più il tuo passare del tempo si avvicina asintoticamente allo zero.

Questo è il motivo per cui un muone, una particella instabile con una durata media di soli due microsecondi, può essere creato nella parte superiore dell’atmosfera a velocità molto vicine alla velocità della luce e può arrivare fino alla superficie terrestre.

È un viaggio di circa 100 km, mentre se si muovesse a soli 300.000 km / s (la velocità della luce) per 2,2 microsecondi, decadrebbe dopo aver attraversato solo lo 0,6% della distanza necessaria.

Il motivo per cui un muone può raggiungere la superficie terrestre – e se tendi la mano, circa un muone lo attraversa ogni secondo – è a causa di questo effetto di relatività.

Allora, che dire ora dell’Universo in espansione? Sai che se guardi una galassia, in media, più è lontana da noi la galassia, più velocemente sembra allontanarsi da noi.

Le galassie nel Cluster della Vergine, distanti dai 50 ai 60 milioni di anni luce, si allontanano mediamente da noi a circa 1200 km / s; le galassie nel Cluster Coma, a circa 330 milioni di anni luce di distanza, sembrano allontanarsi da noi a 7000 km / s.

Più lontano guardiamo, più velocemente queste galassie e ammassi sembrano retrocedere.

 Certo, ci sono piccole variazioni di qualche centinaio o addirittura di mille km / s a ​​causa dei movimenti locali e dell’effetto delle vicine spinte gravitazionali, ma sulle scale più grandi – e alle distanze più grandi – possiamo vedere che più lontano guardiamo , più velocemente queste galassie si stanno allontanando da noi.

Questa osservazione, fatta per la prima volta dallo stesso Edwin Hubble negli anni ’20, è ciò che dà origine alla legge di Hubble, o la legge che governa l’espansione dell’Universo.

Con le migliori osservazioni moderne a nostra disposizione, questa legge continua per miliardi di anni luce in tutte le direzioni.

La velocità della luce si applica, come limite, solo agli oggetti che si muovono l’uno rispetto all’altro nella stessa posizione nello spazio.

Quando il tuo amico è partito con il suo aereo ed è tornato con l’orologio leggermente dietro il tuo, è stato perché ti sei incontrato di nuovo nella stessa posizione.

Quando gli astronauti sono tornati sulla Terra, con il loro viaggio più breve del tuo di alcuni secondi, è stato perché ti sei ritrovato nella stessa posizione.

Perfino il muone, avvicinandosi alla velocità della luce, viaggiava relativamente al tuo quadro di riferimento qui sulla Terra, ed è per questo che i suoi effetti erano osservabili.

Ma là fuori nel lontano Universo, queste galassie non si muovono affatto. Piuttosto, lo spazio tra loro si sta espandendo, ma le singole galassie stesse sono in qualche modo stazionarie rispetto allo spazio stesso.

La relatività si presenta in due forme: relatività speciale, che esiste nello spazio piatto, statico e solo il movimento degli oggetti attraverso lo spazio e la materia del tempo, e la relatività generale, dove lo spazio stesso si evolve e / o si contrae nel tempo, con la materia e /energia che determina la curvatura dello spaziotempo e la relatività speciale esistente al di sopra di esso.

Ecco come differiscono le due previsioni.

Abbastanza drammatico, no? A quanto pare, le nostre osservazioni favoriscono definitivamente l’interpretazione relativistica generale e escludono completamente quella in cui lo spazio è statico.

Cosa significa questo quando mettiamo tutto insieme? Cosa significa per il nostro Universo in espansione, anche quando aggiungiamo energia oscura nel mix?

Significa che col passare del tempo, la luce emessa da galassie distanti si sposta piuttosto pesantemente verso la parte rossa dello spettro, con conseguente spostamento cosmologico rosso.

 Significa che ci sono alcune parti dell’Universo che sono così distanti che la luce emessa da esse non potrà mai raggiungerci.

Attualmente, quel punto è qualcosa che va al di là di circa 46,1 miliardi di anni luce da parte nostra, dato il nostro Universo, al meglio che possiamo misurarlo, che è stato di circa 13,7 miliardi di anni dal Big Bang.

Ciò significa che qualsiasi oggetto oltre 4,5 Gigaparsecs (o 14-15 miliardi di anni luce) non sarà mai raggiungibile da noi, o da qualsiasi cosa facciamo, da questo punto in poi.

Tutti quegli oggetti – oggetti che costituiscono il 97% dell’Universo osservabile in volume – sono attualmente al di là della nostra portata.

Persino un fotone, emesso proprio ora, non li raggiungerà mai, se questa è la nostra destinazione.

Quindi sì, col passare del tempo, tutti gli oggetti che vengono catturati dall’espansione dell’Universo accelereranno sempre più lontano da noi.

Lascia passare abbastanza tempo e alla fine tutti finiranno per retrocedere più velocemente della velocità della luce, in linea di principio non raggiungibile da noi, non importa quanto velocemente costruiamo un razzo o quanti segnali lanciamo e la velocità della luce stessa.

L’Universo che abbiamo oggi sta scomparendo grazie all’espansione accelerata dello spazio. Sebbene nessun oggetto si muova mai attraverso il tessuto dello spazio stesso più velocemente della velocità della luce, non vi è alcun limite di velocità sull’espansione del tessuto stesso; fa semplicemente come impone l’Universo.

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