I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
“Lo spazio è vasto. Veramente vasto. Non
riuscireste mai a credere quanto
enormemente incredibilmente
spaventosamente vasto esso sia. Voglio
dire, magari voi pensate che sia un bel
tratto di strada andare fino alla vostra
farmacia, ma questo tratto di strada è una
bazzecola in confronto allo spazio…”
Douglas Adams, Guida galattica per
autostoppisti
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
In effetti, l’universo che noi
osserviamo oggi coi telescopi è
davvero vasto; una sfera di 40
miliardi di anni luce di raggio,
contenente migliaia di miliardi di
galassie
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Tuttavia, ciò che osserviamo
potrebbe non essere abbastanza
per poterlo comprendere; al di là di
questo “orizzonte cosmico”
potrebbe trovarsi la risposta a
molte domande tuttora senza
risposta
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Consolidate teorie e recenti
osservazioni mostrano che
l’orizzonte cosmico non solo è
invalicabile, ma si sta anche
rimpicciolendo: questo potrebbe
porre severi limiti alla nostra
conoscenza dell’Universo
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Gran parte degli
argomenti di questa
lezione sono stati
presentati dal
ricercatore italiano
Amedeo Balbi in un
articolo scritto per
l’istituto FQXi, che si
propone di stimolare la
ricerca sui fondamenti
della fisica
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Qual è lo scopo ultimo della
scienza?
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Semplice: lo scopo ultimo della
scienza è quello di
CONOSCERE TUTTO
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Molti hanno
cercato e
cercano, per
vari motivi, di
porre dei limiti
alla conoscenza
scientifica
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Tutto ciò
NON E’
argomento della presente lezione
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Da qui in avanti supporremo che la
scienza possa portare avanti il suo
programma senza alcuna
limitazione di carattere religioso,
etico o logico
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Gli unici limiti che ci interessano
sono quelli, se ve ne sono, che la
scienza trova al suo interno,
ovvero quelli determinati dalle
stesse leggi di natura e dalle
osservazioni sperimentali
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La scienza ottocentesca credeva
di aver individuato delle ben
precise barriere di inconoscibilità,
espresse da fisico Emil du BoisReymond con i suoi celebri
“ignorabimus”
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
du Bois-Reymond, in un
discorso del 1880
all’accademia delle
scienze di Berlino, indicò
sette questioni che la
scienza non avrebbe mai
potuto chiarire
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Tra queste
• la natura ultima della materia e
delle forze
• l’origine del moto
• l’origine della vita
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
L’apparente impossibilità di
osservare gli atomi era dovuta al
fatto che la lunghezza d’onda della
luce è enormemente maggiore
della dimensione di un atomo
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Questo impedisce a qualsiasi
microscopio ottico di fornire
un’immagine degli atomi
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Pochi anni dopo
Wilhelm Roentgen
scoprì i raggi X, onde
elettromagnetiche di
lunghezza molto più
piccola della luce
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Usando i raggi X
Max von Laue
ottenne chiare
immagini del
reticolo atomico
di un cristallo
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Un altro problema apparentemente
insolubile della fisica ottocentesca
è quello delle condizioni iniziali
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Allora l’Universo veniva concepito
come un gigantesca isola di
materia posta in uno spazio vuoto
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La teoria della
gravitazione di Newton
descrive l’evoluzione di
questo universo-isola,
ma non dice nulla su
come è perché si è
originato
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Ai fisici dell’800 sembrava del tutto
impossibile spiegare l’inizio
dell’Universo, e la stessa questione
sembrava antiscientifica e priva di
significato
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La teoria della
relatività generale
(Einstein, 1915)
cambia totalmente
le cose
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Secondo questa
teoria un Universo
omogeneo, come
sembra essere il
nostro, può solo
espandersi o contrarsi
GAMOW
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Quindi o l’Universo comincia con
una singolarità (cioè un punto di
densità infinita) e si espande…
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
…o comincia a densità nulla e
finisce in una singolarità.
Le osservazioni astronomiche
dimostrarono che la prima
possibilità è quella giusta
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La meccanica
quantistica, con la teoria
dell’inflazione, rende più
chiaro e coerente il
quadro tracciato dalla
relatività
ALAN
GUTH
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
• Rende inutile ipotizzare che
l’universo nasca omogeneo, in
quanto l’inflazione lo rende
comunque tale
• Elimina la singolarità, che non ha
significato fisico
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Il nodello
inflazionario prevede
che l’universo abbia
avuto un periodo
iniziale di rapidissima
espansione, a cui
seguì l’espansione
standard osservata
ancora oggi
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Anche se oggi ancora non
conosciamo tutto dell’origine
dell’Universo, non pensiamo più
che questa sia inconoscibile
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Oggi le barriere indicate da Emil
du Bois-Reymond sono cadute e
molti scienziati pensano di essere
vicini a una
TEORIA DEL TUTTO
ovvero di una teoria che spiega
tutto
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Nonostante ciò, sono le stesse
teorie fondamentale che hanno
permesso tanti successi ad
indicarci l’esistenza di nuovi e
molto più severi limiti alla
conoscenza umana
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Uno di questi limiti lo si trova nello
studio dell’infinitamente grande
ed è il cosiddetto “problema
dell’orizzonte”
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Possiamo, almeno in linea di
principio, osservare tutto ciò che
esiste, accade o è accaduto
nell’Universo?
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Ovviamente non possiamo farlo in
pratica, ma da un punto di vista
solo teorico?
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La risposta della scienza moderna è
NO
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
L’Universo osservabile è racchiuso
da un
ORIZZONTE
oltre al quale il nostro sguardo non
può e non potrà mai spingersi
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Tre sono gli elementi che
determinano questa risposta
negativa
• La velocità della luce
• L’espansione dell’Universo
• L’energia oscura che accelera
l’espansione
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Esperimenti compiuti nel corso di oltre un
secolo con tecniche sempre più raffinate,
oltre ad un solidissimo e coerente edificio
teorico, dimostrano che nel vuoto la luce
viaggia ad una velocità fissa
C=300.000 Km/s
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Einstein assunse come postulato della
teoria della relatività che questa velocità
sia un limite invalicabile per qualsiasi
oggetto nell’Universo
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Le vaste conferme sperimentali della
relatività hanno convinto i fisici che
l’insuperabilità della velocità della luce
sia una legge fondamentale della
natura, anche se recenti esperimenti
sembrano sollevare dei dubbi
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Perché la velocità della luce pone un
limite alla conoscenza?
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Perché la conoscenza è informazione e
l’informazione ha bisogno di un supporto
materiale per viaggiare
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Quindi, se un evento accade ad una
distanza S da noi, possiamo osservarlo
solo dopo un tempo T pari a quello
impiegato dalla luce per giungere fino a
noi
S
T
C
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Si potrebbe pensare che per osservare
anche gli eventi nelle galassie più
remote ci voglia solo un po’ di
pazienza…
…ma non è così
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
L’espansione dell’Universo fu scoperta
prima teoricamente da Friedman e
Lemaitre nel 1927 e poi dimostrata
sperimentalmente da Hubble nel 1929
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
FRIEDMAN
LEMAITRE
HUBBLE
EINSTEIN
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Secondo la legge di Hubble le galassie
sembrano allontanarsi da noi ad una
velocità V che cresce al crescere della
distanza S secondo la formula:
V =H·S
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Il problema dell’orizzonte
La costante di Hubble H ha un valore
che oggi si stima in circa 23Km/s per
milione di anno luce
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La legge di Hubble si spiega col fatto
che lo spazio tra le galassie si sta
espandendo a un tasso costante
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
UN AMMASSO DI
GALASSIE RIPRESO
DAL TELESCOPIO
SPAZIALE HUBBLE
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La “fuga delle galassie” è solo
apparente; in realtà le galassie non si
stanno muovendo, è lo spazio tra di
esse che si espande e le allontana,
come un nastro trasportatore
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Velocità di allontanamento superiori a
quelle della luce, quindi non
contraddicono la relatività, proprio
perché non sono vere velocità
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Il problema dell’orizzonte
Il fatto che lo spazio si stia espandendo
implica che un tempo, fissato oggi a
13,8 miliardi di anni fa, tutto lo spazio e
con esso la materia erano concentrati in
un punto di densità quasi infinita
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Prima di questo tempo il nostro Universo
semplicemente non esisteva.
Tutto ciò che c’era prima è stato
cancellato dal Big Bang
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Il problema dell’orizzonte
Supponiamo che una certa galassia X
sia posta a una distanza S da noi.
Se l’universo fosse statico, aspettando
un tempo pari a S/C potremmo
osservare la galassia X come è ora
X
S
Noi
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Il problema dell’orizzonte
Infatti guardare lontano nello spazio è
come guardare indietro nel tempo; le
galassie che osserviamo ora potrebbero
non esistere più o essere molto
cambiate
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Il problema dell’orizzonte
Ma mentre le luce viaggia da X fino a
noi lo spazio S si espande
X
X
X
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Il problema dell’orizzonte
E’ come se la luce dovesse risalire una
corrente sfavorevole….
X
X
X
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Il problema dell’orizzonte
Se la “velocità” di allontanamento della
galassia X è superiore a quella della
luce, il segnale non arriverà mai
X
X
X
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La distanza a cui la “velocità” di
allontanamento di una galassia uguaglia
quella della luce si ottiene
semplicemente sostituendo C al posto di
V nella legge di Hubble:
C=H·S
Otteniamo il valore limite:
C
S
H
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Il problema dell’orizzonte
Questo valore rappresenta la massima
distanza a cui può trovarsi un oggetto
perché noi (…o per meglio dire i nostri
pronipoti…) lo possiamo osservare nel
suo stato attuale.
Potremmo chiamare questa distanza
“orizzonte del presente”
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Utilizzando i valori noti:
C = 300.000 Km/s
H = 23 Km/s·MLy
otteniamo:
Slimite = 13 miliardi di anni luce
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Il problema dell’orizzonte
Noi non potremo mai osservare lo stato
attuale di una galassia che, in questo
momento, si trova a più di 13 miliardi di
anni luce da noi
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Il problema dell’orizzonte
Ma nel passato quella stessa galassia
era più vicina a noi.
Possiamo quindi sperare di osservarne
almeno il suo passato?
Solo fino a un certo punto
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Il problema dell’orizzonte
Infatti il passato non è illimitato:
fino a 300.000 anni dopo il Big Bang,
l’Universo era completamente opaco per
il fatto che tutta la materia era ionizzata.
Possiamo considerare il 300.000 post
Big Bang come la data di inizio del
passato
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Se a quella data un oggetto si trovava
già a più di 13 miliardi di anni luce da noi
non potremo mai osservarlo, né nel
passato (perché il passato non esisteva)
né tantomeno nel futuro (perché fugge
da noi più “velocemente” della propria
stessa luce)
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Un oggetto che si trovava allora a 13
miliardi di anni luce da noi dove si trova
ora?
La risposta è: a circa il triplo
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Ciò significa che LA TOTALITA’ DELLE
COSE DA NOI OSSERVABILI si trova
racchiusa in una sfera di circa 40
miliardi di anni luce di raggio
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Tutto ciò che si trova oltre questa sfera è
per noi in linea di principio inosservabile
Questo è l’orizzonte dell’Universo
osservabile
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Bisogna però tener conto del fatto che
LA COSTANTE DI HUBBLE NON E’
COSTANTE NEL TEMPO
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
A causa dell’attrazione gravitazionale
l’espansione dell’Universo si è via via
indebolita, ovvero il valore di H è
diminuito nel tempo
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Ricordando che nel calcolo del raggio
dell’orizzonte H è al denominatore
C
S
H
Vediamo che di fatto l’orizzonte
dovrebbe allargarsi sempre più
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Questo dovrebbe portare all’interno di
esso sempre più galassie, le quali
dunque prima o poi diverrebbero
osservabili.
Insomma, l’orizzonte non dovrebbe
essere una vera barriera
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
MA NON E’ COSI’….
Infatti, a causa di una per ora misteriosa
energia oscura il valore di H da qualche
miliardo di anni sta aumentando
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Così l’orizzonte, invece di allargarsi, si
restringe sempre più, e sempre più
galassie stanno sparendo al di là di esso
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Tra 100 miliardi di anni tutte le galassie,
escluse quelle del gruppo locale,
saranno sparite oltre l’orizzonte e non
saranno in linea di principio osservabili
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Per gli astronomi del futuro una porzione
sempre più vasta di Universo diventerà
del tutto inosservabile
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
E’ così importante poter osservare tutto
l’Universo?
In fondo conoscere significa trovare le
leggi, non osservare tutto il possibile
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
La conoscenza scientifica evolve con la
formulazione di nuove teorie che
vengono controllate e convalidate
attraverso l’osservazione
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
L’impossibilità di osservare l’Universo
nel suo insieme potrebbe rendere molto
difficile la convalida di una teoria del
tutto.
Infatti, alcune proprietà dell’Universo
possono essere determinate solo
osservandone una porzione significativa
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Se, ad esempio, l’energia oscura avesse
già ristretto l’orizzonte fino a
comprendere solo la via lattea,
l’universo-isola di Newton sarebbe
l’unico modello possibile;
semplicemente non potremmo sapere
cosa c’è oltre e cosa c’è stato prima
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Queste sono solo alcune delle questioni
che potrebbero risultare impossibili da
determinare:
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
1. L’Universo è davvero omogeneo
su grande scala come postulano
tutti i modelli cosmologici?
L’Universo osservabile lo è, ma
che dire del resto?
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
2. L’Universo ha veramente
curvatura nulla, come sembra
dalle attuali osservazioni?
Potrebbe avere una curvatura
molto piccola ma non nulla, non
rilevabile sulla scala da noi
osservabile
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
3. L’intensità delle forze
fondamentali è la stessa ovunque?
Fin dove si spinge il nostro
sguardo sì, ma oltre?
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Noi osserviamo una porzione di
Universo limitata nel tempo e nello
spazio. Cosa c’è oltre? Non lo
sapemo mai, e se “oltre” c’è
qualcosa di fondamentale la nostra
descrizione del mondo sarà per
sempre incompleta
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Per concludere con un po’ di
ottimismo…
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
Non è detto che una teoria del tutto
abbia bisogno di una verifica
diretta; può darsi che riusciremo a
rispondere a tutti i quesiti
sull’Universo con verifiche indirette
Dopotutto, Eratostene non ebbe
bisogno di fare il giro del mondo
per misurarne il diametro
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
In secondo luogo, l’Universo
potrebbe essere abbastanza
piccolo da stare tutto dentro
l’orizzonte, per cui non ci sarebbe
più nessun problema di
osservabilità
I confini dell’Universo
Il problema dell’orizzonte
L’uomo ha sempre considerato i
limiti come uno stimolo a superarli;
il futuro ci dirà se, in qualche
modo, saremo in grado di andare
oltre l’orizzonte
