I confini I confini dell’Universodell’UniversoIl problema dell’orizzonteIl 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

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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

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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

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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

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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

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Qual è lo scopo ultimo della scienza?

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Semplice: lo scopo ultimo della scienza è quello di

CONOSCERE TUTTO

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Molti hanno cercato e

cercano, per vari motivi, di porre dei limiti

alla conoscenza scientifica

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Tutto ciò NON E’

argomento della presente lezione

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Da qui in avanti supporremo che la scienza possa portare avanti il suo

programma senza alcuna limitazione di carattere religioso,

etico o logico

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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

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La scienza ottocentesca credeva di aver individuato delle ben

precise barriere di inconoscibilità, espresse da fisico Emil du Bois-

Reymond con i suoi celebri “ignorabimus”

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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

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Tra queste• la natura ultima della materia e

delle forze• l’origine del moto• l’origine della vita

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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

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Questo impedisce a qualsiasi microscopio ottico di fornire

un’immagine degli atomi

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Pochi anni dopo Wilhelm Roentgen

scoprì i raggi X, onde elettromagnetiche di lunghezza molto più

piccola della luce

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Usando i raggi X Max von Laue ottenne chiare immagini del

reticolo atomico di un cristallo

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Un altro problema apparentemente insolubile della fisica ottocentesca

è quello delle condizioni iniziali

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Allora l’Universo veniva concepito come un gigantesca isola di

materia posta in uno spazio vuoto

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La teoria della gravitazione di Newton descrive l’evoluzione di questo universo-isola, ma non dice nulla su come è perché si è

originato

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Ai fisici dell’800 sembrava del tutto impossibile spiegare l’inizio

dell’Universo, e la stessa questione sembrava antiscientifica e priva di

significato

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La teoria della relatività generale (Einstein, 1915)

cambia totalmente le cose

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Secondo questa teoria un Universo omogeneo, come sembra essere il nostro, può solo

espandersi o contrarsi

GAMOW

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Quindi o l’Universo comincia con una singolarità (cioè un punto di densità infinita) e si espande…

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…o comincia a densità nulla e finisce in una singolarità.

Le osservazioni astronomiche dimostrarono che la prima possibilità è quella giusta

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La meccanica quantistica, con la teoria dell’inflazione, rende più

chiaro e coerente il quadro tracciato dalla

relativitàALAN GUTH

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• Rende inutile ipotizzare che l’universo nasca omogeneo, in

quanto l’inflazione lo rende comunque tale

• Elimina la singolarità, che non ha significato fisico

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Il nodello inflazionario prevede che l’universo abbia

avuto un periodo iniziale di rapidissima

espansione, a cui seguì l’espansione standard osservata

ancora oggi

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Anche se oggi ancora non conosciamo tutto dell’origine

dell’Universo, non pensiamo più che questa sia inconoscibile

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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

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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

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Uno di questi limiti lo si trova nello studio dell’infinitamente grande

ed è il cosiddetto “problema dell’orizzonte”

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Possiamo, almeno in linea di principio, osservare tutto ciò che

esiste, accade o è accaduto nell’Universo?

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Ovviamente non possiamo farlo in pratica, ma da un punto di vista

solo teorico?

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La risposta della scienza moderna è

NO

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L’Universo osservabile è racchiuso da un

ORIZZONTEoltre al quale il nostro sguardo non

può e non potrà mai spingersi

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Tre sono gli elementi che determinano questa risposta

negativa• La velocità della luce

• L’espansione dell’Universo• L’energia oscura che accelera

l’espansione

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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

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Einstein assunse come postulato della teoria della relatività che questa velocità

sia un limite invalicabile per qualsiasi oggetto nell’Universo

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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

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Perché la velocità della luce pone un limite alla conoscenza?

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Perché la conoscenza è informazione e l’informazione ha bisogno di un supporto

materiale per viaggiare

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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

CS

T

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Si potrebbe pensare che per osservare anche gli eventi nelle galassie più

remote ci voglia solo un po’ di pazienza…

…ma non è così

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L’espansione dell’Universo fu scoperta prima teoricamente da Friedman e Lemaitre nel 1927 e poi dimostrata

sperimentalmente da Hubble nel 1929

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FRIEDMAN

HUBBLE

LEMAITRE

EINSTEIN

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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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La costante di Hubble H ha un valore che oggi si stima in circa 23Km/s per

milione di anno luce

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La legge di Hubble si spiega col fatto che lo spazio tra le galassie si sta espandendo a un tasso costante

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UN AMMASSO DI GALASSIE RIPRESO DAL TELESCOPIO SPAZIALE HUBBLE

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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

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Velocità di allontanamento superiori a quelle della luce, quindi non

contraddicono la relatività, proprio perché non sono vere velocità

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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

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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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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

XS Noi

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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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Ma mentre le luce viaggia da X fino a noi lo spazio S si espande

X

X

X

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E’ come se la luce dovesse risalire una corrente sfavorevole….

X

X

X

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Se la “velocità” di allontanamento della galassia X è superiore a quella della

luce, il segnale non arriverà mai

X

X

X

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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:

HC

S

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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”

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Utilizzando i valori noti:C = 300.000 Km/sH = 23 Km/s·MLy

otteniamo:

Slimite = 13 miliardi di anni luce

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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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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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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

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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)

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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

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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

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Tutto ciò che si trova oltre questa sfera è per noi in linea di principio

inosservabileQuesto è l’orizzonte dell’Universo

osservabile

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Bisogna però tener conto del fatto che LA COSTANTE DI HUBBLE NON E’

COSTANTE NEL TEMPO

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A causa dell’attrazione gravitazionale l’espansione dell’Universo si è via via

indebolita, ovvero il valore di H è diminuito nel tempo

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Ricordando che nel calcolo del raggio dell’orizzonte H è al denominatore

Vediamo che di fatto l’orizzonte dovrebbe allargarsi sempre più

HC

S

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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

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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

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Così l’orizzonte, invece di allargarsi, si restringe sempre più, e sempre più

galassie stanno sparendo al di là di esso

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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

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Per gli astronomi del futuro una porzione sempre più vasta di Universo diventerà

del tutto inosservabile

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E’ così importante poter osservare tutto l’Universo?

In fondo conoscere significa trovare le leggi, non osservare tutto il possibile

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La conoscenza scientifica evolve con la formulazione di nuove teorie che vengono controllate e convalidate

attraverso l’osservazione

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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

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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

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Queste sono solo alcune delle questioni che potrebbero risultare impossibili da

determinare:

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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?

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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

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3. L’intensità delle forze fondamentali è la stessa ovunque? Fin dove si spinge il nostro sguardo sì, ma oltre?

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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

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Per concludere con un po’ di ottimismo…

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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 indiretteDopotutto, Eratostene non ebbe bisogno di fare il giro del mondo

per misurarne il diametro

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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

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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