di Mario Giardini
Edwin Hubble ebbe a scrivere: “la storia della astronomia è la storia di orizzonti che si allontanano”
Penso che sia davvero così. Per millenni, l’universo è stato, per l’uomo, ciò che i suoi occhi consentivano di vedere. Cioè la Via Lattea. Per millenni, l’uomo ha costruito le sue idee su che cosa fosse, e perché fosse, l’universo, in base a questa limitatissima conoscenza. Dovrebbe far riflettere il fatto che filosofie ancor oggi seguite sono state costruite sulla base di una ignoranza quasi assoluta del “mondo esterno”. Comprese, fra queste, quelle speciali credenze che vanno sotto il nome di “religioni”.
Una delle scoperte fondamentali del XX secolo è che l’universo si espande. L’altra, come conseguenza, è che ha avuto un inizio (il big bang o qualsiasi cosa possa essere in futuro pensata in sostituzione). Se ripensiamo alla rappresentazione tolemaica “dei cieli”, dove tutto è immutabile, il cambiamento è vertiginoso.
Hubble scoprì, dopo lunghe notti all’addiaccio, il red shift, cioè lo spostamento verso il rosso della luce proveniente dalle galassie più lontane. Prodotto da quello che è noto essere l’effetto Doppler: una sorgente sonora che si avvicina all’osservatore produce un suono via via più acuto (cioè di frequenza più alta), una che si allontana un suono più grave (cioè a frequenza più bassa). Lo stesso accade per la luce. Le frequenze più alte sono quelle in direzione del blu e dell’ultravioletto; quelle più basse in direzione del rosso.
Misurando le distanze delle galassie, e comparando fra loro la luce emessa, Hubble scoprì che lo spettro della luce emessa delle galassie si spostava verso il rosso. E che per le galassie pià lontane, lo spostamento era maggiore: cioè si allontanavano più rapidamente. Trovò che lo spostamento era proporzionale alla distanza. In altri termini: più lontane erano, più marcato lo redshift. E quindi più velocemente si allontanavano da noi. Hubble aveva scoperto, sperimentalmente, che l’universo che abitiamo si espande. Calcolò anche le velocità di allontanamento delle varie galassie, ma commise, dati gli strumenti del tempo, errori che furono corretti successivamente.
Abbiamo visto che la teoria della relatività prevedeva un universo non statico, ma lo stesso Einstein non ci credette, e per anni, dal 1916 a (quasi) tutti i ’30, fu così per molti.
Piccola digressione: esiste un cosiddetto Principio Cosmologico. Esso si riassume in due assunzioni fondamentali (cioè in due assiomi): a) l’universo è isotropo, cioè non esistono direzioni privilegiate lungo le quali osservarlo, o, in altri termini, si presenta identico in ogni direzione; b) è omogeneo, cioè presenta le stesse proprietà in tutti i suoi punti. Il corollario è che le leggi fisiche sono le stesse in tutti i punti, e non dipendono dal tempo. E’ facile capire il perché: se non fosse così, non potremmo studiare l’universo. Il giorno che si dimostrasse che o le leggi fisiche non sono le stesse in tutto l’universo, o mutano nel tempo, dovremmo buttare nella spazzatura l’intera nostra conoscenza cosmologica.
Come detto, Hubble scoprì l’espansione attraverso lo spostamento verso il rosso della luce emessa delle galassie. In realtà, la sua interpretazione del fenomeno fu, in parte, concettualmente errata. Un universo in espansione produce spostamento verso il rosso. Ma tale spostamento è la somma di due fattori. Esiste quello che si chiama cosmological redshift che va separato, come fenomeno, dal Doppler redshift. Il primo è causato dalla lontananza, il secondo dalla dalla velocità di allontanamento delle galassie rispetto alla nostra.
Esiste dunque una evidenza sperimentale che l’universo si espande. Tutte le galassie osservate si allontanano dalla nostra, non solo una parte di esse. Perché se qualcuna si avvicinasse, avremmo il fenomeno contrario, cioè il blueshift. Ma le osservazioni dicono che questo è un fatto che non avviene.
Dunque, cosa può spiegare che tutti i pezzi dell’universo si allontanino fra di loro, mantenendo isotropia ed omogeneità?
E’ quello che accade quando c’è un’esplosione nello spazio libero: tutto viene scagliato in tutte le direzioni. Se l’esplosione è perfettamente simmetrica in tutte le direzioni, i pezzi che si allontanano danno luogo a uno spazio isotropo ed omogeneo.
Ecco come nacque l’idea del Big bang. Poiché tutti i “pezzi” dell’universo si allontanano in tutte le direzioni, allora è naturale supporre che un grande botto iniziale dette origine al fenomeno.
Sul Big bang ci sono una infinità di domande, ovviamente. Per quanto abbiamo detto, ce ne sono due che interessano più di altre: a) visto che l’universo si espande, l’espansione finirà o no? b) e se finisce, cosa accade?
Lo vedremo nel prossimo articolo.
Cosmologia – 5 – segue
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